用于空间快速指向机构的轻量化反射镜研究

为了满足空间激光通信和激光雷达载荷中快速控制反射镜的使用需求,研制了一种轻量化SiC反射镜。首先,根据指向机构的使用工况和动力学响应要求,对反射镜结构的安装形式以及轻量化进行了优化设计;其次,通过有限元仿真分析,计算出反射镜的动态特性和安装使用中的面形变化,模拟出镀膜应力对反射镜面形的影响;最后,结合镀膜应力的产生机理和作用方式,在反射镜光学加工阶段预制面形补偿,解决了反射镜镀膜中面形退化问题。测试结果表明,反射镜在装配过程中的面形变化均方根(RMS)≤0.005λ(λ为波长,λ=632.8nm),反射镜安装后的最终面形变化RMS值为0.019λ,可以满足系统使用的指标要求。该反射镜的结构设计与分析流程以及镀膜加工方法可以应用到其他类似反射镜的设计与加工过程。

大尺寸轻型碳化硅质镜体的制造与材料性能测试

利用凝胶注模(gel-casting)成型工艺制备了620 mm和700 mm×300 mm的碳化硅(SiC)轻型反射镜素坯,经过脱模、干燥、脱脂和反应烧结等工艺,制备了反应烧结SiC(RB-SiC)镜体。镜体经过加工和测试,结果表明:制备的RB-SiC内部结构均匀致密;力学性能和热学性能优异,抗弯强度、断裂韧性和热膨胀系数分别达到了350 MPa、4.1 MPa.m1/2和2.67×10-6/K;镜体经抛光后的表面粗糙度RMS值可优于3 nm,适合用于制备空间用大尺寸轻型反射镜。

轻型反射镜镜体结构参数的分析

从理论上计算了空间遥感相机常用的四种镜体材料—ULE、Zerodur、铍(Be)和碳化硅(SiC)的结构参数。根据计算结果比较了这几种材料的性能,最后比较了两种轻型反射镜结构—对称夹心结构和底面开口结构。理论计算表明:SiC是较优异的空间用反射镜材料,对称夹心结构是较理想的镜体结构。根据理论计算所得结构参数并结合实际制作了直径为500 mm的对称夹心结构碳化硅质轻型镜体。

大口径反射镜轻量化结构比较及面形分析

根据某空间光学系统的SiC反射镜的设计指标要求,对比分析了各种轻量化结构(包括三角形、正方形、六边形和各种扇形轻量化结构)的力学(自重变形)、热学性能(温度应力变形)。综合比较这些轻量化结构的轻量化率、比刚度和热稳定性能,最终确定采用一种扇形轻量化结构。在轻量化率达到75%的情况下,镜体的自重变形和热变形均满足要求:采用Zernike多项式拟合去除刚体位移后得出,在周边支撑情况下镜面由于自重引起的表面畸变量的RMS值为0.0101μm,约为λ/60(λ=0.6328μm)。

空间相机大口径反射镜轻量化技术及应用

空间相机反射镜尺寸和质量对系统的光学性能、机械性能和热稳定性等具有重要影响,因此对其进行轻量化设计具有重要意义。文中从材料的选择、背部基体形状、轻量化孔形式、支撑方式对某空间大口径反射镜进行了详细的结构设计,采用理论论述与有限元分析相结合的方法,提出了一种背部开放式、三角形孔的轻量化结构形式,通过合理设计反射镜支撑点数目和位置,使反射镜组件在重力工况下,镜面面形精度达到成像质量要求,即PV值不大于63.2 nm。

大口径SiC轻量化反射镜柔性带式支撑静摩擦影响

采用柔性带式支撑方式的大口径光学反射镜与支撑带之间的静摩擦力对反射镜面形精度影响较大,而且该影响难于直接定量测量。针对这一实际情况,考虑到温度变化将引起静摩擦力状态变化这一规律,建立了温度—静摩擦力间的关系表达式;接着,以反射镜所受静摩擦力与环境温度关系为基础,通过测量不同温度下的反射镜面形精度,间接推算出静摩擦力对反射镜面形精度的影响;以1.2米SiC轻量化反射镜为研究对象,利用干涉仪检测其柔性带式支撑机构在不同温度下的面形精度,并利用实测数据推导出温度—静摩擦关系的相应系数;最后借助ANSYS软件,对带式支撑机构的受力情况进行仿真分析。实测结果与仿真分析结果一致性较好,说明该研究方法可较为准确地推导出静摩擦力对大口径SiC轻量化反射镜面形影响。

Φ450mm口径空间天文相机轻量化碳化硅主反射镜组件设计

针对某空间天文相机对轻量化、光学效率、杂光抑制与探测能力的需求,设计Φ450 mm口径碳化硅主反射镜,镜体轻量化率超过70%;选取线膨胀系数匹配的殷钢材料,设计基于两脚架柔性结构的侧面支撑以消除装配应力和热应力,通过渗硅改性获取高反射率光学镜面。光学加工完成后反射镜质量7 kg,反射率优于98%。在严格的工艺条件控制下,对反射镜组件进行精密装配。光学检测结果表明,反射镜装配完成后面形误差优于0.02λRMS,与分析结果吻合。证明了空间天文相机主反射镜组件结构设计方案与装调工艺的合理性,满足空间天文相机光学设计要求。

空间相机中主镜的轻量化技术及其应用

对空间相机主镜的轻量化技术作了全面的总结和概括，阐述了主镜轻量化技术的一般考虑，总结了轻量化技术中主镜口径确定、材料选取、结构形式、基体形状、支撑方式、支撑装置的结构形式、热稳定措施及ＣＡＤ／ＣＡＥ应用。最后给出了主镜轻量化的典型应用实例，对其进行了光机热综合评估。

空间遥感器两维扫描指向镜的轻量化设计及应用

论述了空间遥感器中两维扫描指向镜的轻量化设计应注意的主要问题,并给出了扫描指向镜的轻量化设计的应用实例,利用有限元软件,结合设计指标,对其进行了光、机、热综合分析。

长条形反射镜的集成优化设计

离轴三反系统(TMA)在具有高分辨率、大视场的空间遥感器中被广泛使用,长条形反射镜作为TMA系统中的核心元件,其自身的性能直接影响遥感器的成像质量。本文在传统反射镜轻量化结构的基础上,为改善反射面局部面形质量,提出一种变筋厚设计方案;为了确定各结构参数的最佳取值,将反射面的面形精度和镜体质量同时作为目标函数,采用邻域培植多目标遗传算法(Neighborhood Cultivation Genetic Algorithm,NCGA)对其进行集成优化求解;结合制造工艺的约束,调整并确定该反射镜最终的设计方案。在z向1 g工况下,优化后的反射镜RMS值为1.278 nm、PV值为5.642 nm,分别较初始结构(RMS=1.947 nm,PV=8.349 nm)降低了34.4%和32.4%,且质量比初始结构略有减轻,从而兼顾了面形精度和镜体质量。这说明本文所提出的轻量化方案和结构参数确定方法适用于TMA系统中长条形反射镜轻量化结构的设计,对今后相关元件的研制具有一定的参考价值。

地球同步轨道三轴稳定卫星的扫描镜设计及考虑

两维扫描镜是同步轨道对地观测卫星的关键技术和核心技术之一。扫描镜材料、轻量化方案、扫描镜的支持方案以及扫描镜的热设计是保证整个系统的像质要求的关键因素。以风云四号扫描镜的设计为例 。

大口径主反射镜的轻量化方案设计

随着空间探测技术的不断发展,对光学系统中大口径主镜的需求越来越迫切。本文针对大口径主镜所面临的技术难题,通过有限元的方法研究了不同减轻方式对其结构稳定性的影响,并从中选出了最优方案,为今后的实际工程应用打下了坚实的基础。

主反射镜轻量化工程分析计算

采用了空间遥感相机主反射镜背部打圆孔的轻量化方案，对轻量化主镜进行了ＣＡＤ实体模型构造及重量和轻量化率的计算，建立了轻量化主镜的有限元模型，进行了静力学和动力学分析和计算，并对轻量化和未轻量比的主镜的自振频率进行了比较。计算结果表明，主镜的轻量比设计满足技术要求，轻量化主镜的动态刚度、比刚度得到提高，轻量化率达３０％以上，并还有轻量化的余地。上述结果对主镜的改进设计有重要的意义。

空间相机用碳化硅(SiC)反射镜的研究

根据空间光学遥感器发展的要求 ,提出碳化硅 (SiC)反射镜的研究 ,论述空间相机采用SiC反射镜的原因 ,介绍国外SiC反射镜发展概述 ,提出发展SiC反射镜的研究目标和应用方向。

激光空间合束主镜优化设计与分析

本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析,以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变,提高主镜面形精度。首先,对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点,从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式;然后,利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析,并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计;最后,对主镜进行重力、环境适应性和基频分析,验证设计的合理性。分析结果表明:6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下,随着辐照时间的增加,镜面温升值和P-V值逐渐增大;辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4℃,P-V值为155 nm,受镜体结构影响,辐照区内热畸变值不一致,差值约占镜面P-V值的1/6;为改善热畸变的不一致性,提高镜体强度,对主镜进行拓扑优化设计,优化后主镜轻量化达54.5%,辐照区热畸变一致性好,镜面热畸变量减小了近1/3;不同俯仰姿态下,主镜重力变形值基本相同,不足10 nm;环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移,稳态温差值越大,主镜面形P-V值和镜面平移量越大;模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。

空间反射镜组件的环境适应性设计

为了保证空间反射镜具备优良的力学和热性能,在反射镜结构设计阶段对其进行结构尺寸稳定性分析至关重要。设计了某1 200 mm×450 mm口径长条形空间反射镜的轻量化结构,采用SiC材料制作反射镜镜坯,反射镜背部开三角形轻量化孔,提出一种背部3点柔性支撑方案,并设计了反射镜的支撑结构。通过对反射镜及其支撑结构在重力载荷和温度载荷工况下的变形分析,拟合出反射镜面的面形PV值、RMS值以及镜面的倾斜量,并依此作为修改设计方案的依据。分析结果表明,在X向重力作用下反射镜面形PV为51.9 nm,RMS为9.2 nm,反射镜绕Z轴倾角为2.9″;4℃均匀温升载荷作用下,反射镜面形PV为69.8 nm,RMS为12.4 nm;反射镜组件的基频为173 Hz,能够满足空间应用要求。

紫外-近红外高光谱探测仪扫描镜拓扑优化设计

为了研究某紫外-近红外高光谱探测仪扫描镜工作在运动状态的轻量化问题,提出了以扫描镜动态面形为设计约束的拓扑优化方法。对设计约束进行了有效的简化,降低了计算的复杂程度。使用拓扑优化方法得到了在转动条件下扫描镜的最优轻量化形式。分析结果表明,拓扑优化后的扫描镜轻量化率为47.3%,动态面形PV值和RMS值分别为19.36 nm和5.65 nm,比优化前分别提高了18.45%和17.40%,同时,扫描镜的一阶频率提高了113.8 Hz。分析结果说明了以动态面形为设计约束进行扫描镜拓扑优化的合理性。

铝合金反射镜的发展与应用

综述了国内外铝合金反射镜的发展现状,最新应用和技术参数。首先从铝合金反射镜的设计、加工、安装结构和应用4个方面展开论述,然后总结了铝合金反射镜的共同特点和共性技术。最后对铝合金反射镜的应用前景提出了展望。

大口径轻质主镜热特性分析

为了分析温度对大口径轻质主镜反射面面形的影响，对大口径轻质主镜建立了三维模型，利用有限元软件patran/nastran 对其进行了稳态和瞬态的热特性分析。主要分析了均匀温度分布，径向温差，轴向温差和外界环境温度变化对主镜面形的影响。结果表明：在径向温差，轴向温差和外界温度变化情况下，主镜面形均受到很大的影响，且面形PV值和均方根值RMS随着温度梯度的增大，呈线性增加的趋势；环境温度在15℃到25℃以正弦规律变化时，在2.8 m主镜内部产生的温度梯度导致的镜面变形的PV值和RMS值波动范围为100-500 nm和25-150 nm；均匀温度分布对主镜面形的影响相对较小。

CO_2探测仪反射镜组件设计

为了降低重力、力学试验、发射条件以及因材料线胀系数差异导致的热变形对CO_2探测仪反射镜面形产生的影响,从反射镜组件材料选择、结构设计和配合方式几个方面进行了分析。采用SiC材料制作反射镜,结合反射镜的环形支撑方式,通过有限元分析对镜体进行轻量化设计。选取线胀系数较小的殷钢材料,利用三角形结构的稳定性和双脚架柔性结构的灵活性设计出简易可靠的反射镜支撑结构。反射镜与支撑结构接触面为1∶50的锥度面,通过环氧树脂进行胶接。在严格的工艺条件控制下,对反射镜组件进行精密加工和装配。对反射镜组件进行力学试验测试,结果表明在X向、Y向、Z向的一阶频率分别为445,423和444 Hz,与有限元分析结果接近。试验后镜面面形变化量PV值小于1/10λ,RMS值小于1/30(λ=632.8nm)。证明了CO_2探测仪反射镜组件结构设计与装调的合理性,满足空间高光谱成像要求。