1.2 m高轻量化率主反射镜镜坯结构设计

如何进一步提升高性能米级空间反射镜轻量化率是大口径光机结构研制领域内的核心问题之一。本文为某高分辨率空间相机研制了通光口径Φ1200 mm的主反射镜,实现了面密度40 kg/m2的设计目标。碳化硅镜体采用凝胶注模成型及反应烧结工艺制备,将光轴水平状态作为检测状态以简化支撑结构,在半封闭式镜体内使用了主副筋交叉布置、立壁增加减重孔等轻量化手段,用分布式基准面取代传统基准设置,将基准面加工面积减少80%以上、提高了加工效率。通过参数化建模与集成优化,确定了镜体最优结构参数组合,最终镜体设计重量为46.9 kg。光轴水平时主镜自重变形RMS值仅2.87 nm,镜体自由基频为602 Hz,主镜具有良好的动、静力学特性。镜坯经机械加工后实测重量为51.3 kg、超重约9.4%,镜面厚度不均匀性小于1 mm,当前镜面已抛光至面形精度RMSλ/8 (λ=632.8 nm),未见印透效应。     

大口径望远镜三镜结构设计及优化

第三反射镜(简称三镜)在大口径地基光电望远镜系统中作为关键部件之一,其面形精度直接影响着望远镜光学系统成像质量.为准确设计出符合工程实际的三镜结构,从三镜镜体几何尺寸、镜坯材料、轻量化孔结构形式、支撑方式等方面进行分析,并借助于有限元工程分析软件ANSYS,MSC.Patran/Nastran对三镜的支撑点位置、支撑孔壁厚度、镜面面板厚度、镜子外边框厚度、背部肋板厚度以及镜子外边缘倒角尺寸等镜体结构参数进行优化分析,得到了使镜面面形最优的镜体各结构参数.优化后三镜镜面变形RMS值为8.98 nm、PV值为38.03 nm,均满足光学设计要求.研究成果可为同类光机系统设计提供参考.     

大口径主反射镜支撑结构设计

大口径空间反射镜支撑技术是空间相机研制中的关键技术之一.从保证反射镜组件刚度、强度和热尺寸稳定性的角度出发,对某型卡塞格林系统中980 mm口径主反射镜支撑结构进行了设计.提出采用背部六点支撑,三点为主另外三点为辅的支撑方案,通过在支撑结构中设置柔性环节,从而解决了大口径主反射镜在自重作用下面形精度满足要求而在温变栽荷作用下面形精度严重超差的问题.利用有限元分析软件进行了主镜组件的静、动态刚度及热尺寸稳定性分析,并在分析的基础上对支撑结构中的柔性环节结构参数进行修正,在保证支撑刚度的同时降低了重力、装配应力和热应力对面形精度的影响.分析和试验结果表明,主镜在重力和4℃均匀温升载荷下面形精度达到PV<λ/10,RMS相似文献   

地基望远镜主镜支撑性能分析

主镜面型精度是地基大口径望远镜最关键的技术指标之一.为了研究主镜室以及主镜底支撑和侧支撑系统的重力变形造成的主镜面型误差,介绍了一地基光电望远镜的主镜室及详细的主镜支撑结构,借助于有限元法,建立了主镜,主镜室和支撑结构的详细有限元模型,分析计算了主镜在支撑状态下的镜面变形情况,并通过ZYGO干涉仪进行了面型检测.计算结...     

提高大口径金属主镜面形精度的方法

分析了影响Ｒｉｔｃｈｅｙ－Ｃｈｒｅｉｔｉｅｎ光学系统中金属主反射镜面形精度因素，采用有限元法对立交易的加工过程及其安装进行了模拟，指出提高主镜的面形镜度，既要合理主镜材料的热处理工艺，也要对加工参数进行控制。良好的稳定化处理可以有效地消除材料内部的残余应力，保证主镜尺寸的稳定性。提高加工基准的精度，并采用组合加工镜面，可以大大提高主镜的面形精度，最后，给出了主镜的干涉仪检测结果。     

超轻超薄反射镜制造过程中的变形控制研究

针对超轻超薄反射镜(超薄镜)径厚比大,自身刚度小、单独加工难度大的问题,采用基底支撑方式对超薄镜进行加工.我们研究了在加工过程中粘接,温度、应力等因素所导致的超薄镜变形的控制手段并对变形控制效果提出了评判方法.通过195 mm口径超薄铣工艺实验对控制变形的工艺进行改进,用改进后的加工工艺进行了340 mm口径的超薄镜制造,得到了比较理想的面形,下盘后PV值5.74λ,RMS值1.02λ(λ=632.8 nm).这表明在超薄镜制造过程中变形控制的技术方案可行,工艺改进方向正确.同时,实验结果表明,超薄镜制造过程中的变形最终表现为镜面出现非重力因素引起的像散.     

基于视觉测量的碟式聚光器面形检测

为保证太阳能热发电系统的发电效率,聚光器镜面必须符合设计精度要求,该文采用单目视觉测量的方法对碟式聚光器镜面进行实际测量。搭建相应的实验测量系统,通过CCD相机采集多幅多位置的镜面和靶标图像,利用Matlab软件进行相机标定、立体匹配以及一系列图像处理,获得镜面各标志点的三维空间坐标值。运用最小二乘法对三维散点数据进行拟合得到800 mm×800 mm碟式聚光器镜面模型。通过聚光器镜面相邻点坐标的差值估计得镜到面整体斜率误差为0.005 56 rad,最大斜率误差位于镜面边缘为0.027 26 rad。结果表明基于视觉测量的碟式聚光器面形检测系统能快速有效地检测镜面面形。     

大口径望远镜主镜支撑优化分析

大口径望远镜主镜的面形精度是影响望远镜成像质量的关键因素之一.光电系统中主镜轴向支撑点位置,对面形精度起着非常重要的作用,主镜支撑点位置合理与否,在一定程度上影响着光学系统的成像质量.本文对大口径望远镜主镜的轴向支撑和径向支撑技术进行了详细地研究,利用有限元软件ANSYS建立了主镜的参数化模型,对不同口径主镜的轴向支撑点数目和位置进行了优化,从而给出了最佳支撑点的位置.优化分析结果表明了,主镜的面形精度满足系统的精度要求,并且轴向支撑对镜面的面形影响较大.     

大口径透镜多点柔性支撑结构设计与分析

透镜面形精度是影响透射式光学系统性能的主要因素之一,支撑结构、自重和热载荷是引起透镜面形发生变化的三个主要原因。为了实现大口径透镜(Φ>200 mm)的高面形精度,本文设计了一种新的基于多点柔性支撑的透镜支撑结构,通过有限元分析,给出该柔性支撑结构下自重和热载荷对透镜面形的影响。分析结果表明：重力作用下透镜上、下表面面形RMS值分别为6.78 nm和3.46 nm;热载荷作用下透镜上、下表面面形RMS值分别为8.30 nm和5.57 nm。由此得出,本文设计的多点柔性支撑结构可以有效减少自重和热载荷对大口径镜面面形的影响,满足透射式光学系统对透镜面形的精度要求(RMS<λ/50,λ=632.8 nm)。     

薄反射镜主动光学实验系统

用口径400mm、厚12mm的薄反射镜作为实验镜进行了主动光学实验.支撑系统由背部12个主动支撑点和3个固定支撑点组成,主动支撑点采用由压电陶瓷促动器和压力传感器组成的力促动器,用于控制实验镜面形,固定支撑点用于控制实验镜的定位.通过Shack-Harmann波前传感器测量镜面面形并拟合出Zernike像差,用阻尼最小二乘法计算出校正力,通过PID算法闭环控制各促动器施加力的过程.通过主动校正,将初始支撑状态下的1.16λ(λ=632.8nm)RMS面形精度校正到0.07λRMS,优于镜面抛光后的0.1λRMS.     

长条形SiC空间反射镜轻量化结构优化设计

在保证空间光学遥感相机反射镜结构刚度、面形精度的同时,最大限度的降低反射镜质量,成为各国新兴的、重要的研究课题。本文从材料、支撑形式、相关几何参数以及轻量化结构形式等方面对反射镜进行详细设计。提出了通过拓扑优化确定反射镜背部轻量化形式的方案。采用有限元分析法对获得的优化结果进行分析。分析结果表明：重力载荷下面形精度达到 λ/10 PV,λ/50 RMS (λ=632.8 nm),PV值 7 nm,RMS值 1.68 nm,反射镜组件一阶固有频率 256 Hz,均优于传统结构形式的反射镜,能够满足应用要求。     

某空间遥感器调焦反射镜的设计与分析

调焦反射镜组件作为空间相机整体光机结构设计的组成单元,其结构设计的优劣直接关系到相机成像质量的好坏。该论文的研制背景基于某宽幅相机,调焦反射镜具有长宽3:1的狭长形轮廓,使得支撑结构设计难度较大。为保证调焦反射镜光学表面始终保持良好的成像性能,调焦反射镜柔性支撑结构必须具有良好的动、静态特性,并且具有较轻的质量,较高的比刚度和良好的加工、装调性。经分析计算,本文设计的柔性支撑结构使调焦反射镜在使用工况下面形达到1/50λ,一阶模态达到275Hz,满足性能指标要求。     

大口径平面基准仪反射镜支撑技术

大口径平面基准仪是在大口径、大视场的空间光学遥感器光学系统装调过程中必须应用的基准工具,随着光学系统的口径和视场的不断增大,平面基准仪口径也不断增大,本文从满足大口径平面基准仪反射镜在复杂的工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了1 000 mm大口径平面基准仪反射镜及其支撑结构材料的选择,讨论了反射镜的柔性支撑结构的设计方法,并运用CAD/CAE工程分析软件进行分析及优化,应用有限元法优化出一种合理的反射镜柔性支撑结构。     

长条型非球面反射镜轻量化及支撑结构优化研究

针对轻型光学空间遥感器的长条型非球面反射镜,首先进行了轻量化研究,然后针对支撑结构的初步设计方案,采用有限元法进行了静力学分析和计算,以对镜面面型精度的影响为评价指标,进行了有效的多次迭代优化,最终确定了满足要求的支撑结构方案。     

Large-scale fabrication of lightweight Si/SiC ceramic composite optical mirror

Silicon carbide relative to other more traditional materials offers some excellent characteristics including high stiffness, high toughness, low toxicity, low thermal distortion and potential cost and schedule advantages. These properties make silicon carbide very attractive for a variety of applications in precision optical structures, especially when considering space-borne application. In this paper, lightweight silicon carbide mirror was prepared for the large pointer mirror or the primary mirror of the high resolution camera. Reaction-bonded silicon carbide was used to fabricate the 250-mm diameter circular mirror with 30-mm thickness and 1.72-kg weight and the 120-mm hexagonal mirror with 15-mm thickness and 0.23-kg weight. Open back honeycomb lightweight structure was produced to gain 35.1 and 24.3 kg/m² areal density, respectively. Polishing technique different from optical glass polishing was introduced to achieve less than 0.3λ at 632.8-nm p–v surface error and less than 5-nm rms surface roughness. The stress and displacement under factual condition were estimated using finite element analysis method. The reaction-bonded silicon carbide was a ceramic matrix of free silicon containing a bimodal distribution of silicon carbide grains. The green body of silicon carbide grains and free carbon was fabricated by slip casting. Inserts were used to form the complex lightweight structure. During silicon vapor infiltration process, silicon reacted with carbon to form new silicon carbide phase and the pores of green body disappeared. The resulting material was single phase alpha silicon carbide. The results indicated that reaction-bonded silicon carbide can be used as optical mirror substrates. Currently, experiments are under way to fabricate a large-scale lightweight Si/SiC optical mirrors with larger than 50-cm diameter.     

采用机械钻铣轻量化技术的轻型镜研制

以φ400mm轻型平面镜为例，介绍了采用机械减重法制造轻型镜的工艺技术。镜坯的轻量化采用了刚度虽不是最优，但工艺性最好的圆孔结构，并采用专门设计的钻头钻孔，再用氢氟酸消除微裂纹。加工结果表明，该镜的减重比达44．5％，但仍具有足够的刚度，且没有影响加工精度的变形。     

大口径轻质镜支撑的有限元分析

根据轻质镜的工作状态,分别给出了一种平放时的和两种立放时的支撑方法。用Algor有限元软件对这三种状态进行应力和变形分析,并用Excel对节点变形进行处理,给出了镜面变形曲线,分析结果表明,三种支撑方法能够满足轻质镜的变形精度要求。     

大口径光学遥感器主反射镜轻量化方案设计

合理的轻量化结构设计是降低大口径反射镜重量的实际而有效的方法,同时可以有效减少自重等对反射镜面形精度的影响。本文以口径为Φ1200mm主镜为研究对象,采用有限元分析作为研究手段,根据等刚度原则,结合实际工艺情况,设计了两种结构形式的主镜轻量化方案。根据有限元分析结果,确定基于反应烧结碳化硅(RB-SiC)工艺、背部半封闭结构、锥形后表面、采用扇形轻量化孔形式的结构方案为首选方案,并成功研制出了反射镜镜坯。