1.5m口径空间相机主镜组件的结构设计

研究了1.5m口径空间相机反射镜组件的结构,设计了主镜组件结构系统。采用RB-SiC作为反射镜镜坯材料,分析并优化了反射镜支撑形式和镜体的结构参数,得到了重131.9kg,轻量化率达到81%的反射镜结构。在主镜基本构型确定的基础上,设计了主镜支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了主镜结构系统的力、热环境适应性和抗振性要求。最后,利用有限元法综合分析了主镜组件的性能。试验结果表明:主镜在1g重力作用下的面形精度RMS达到0.025λ(λ=632.8nm),(20±4)℃温变环境中主镜面形变化量在RMS 0.01λ范围内,主镜组件一阶固有频率为95.8Hz,有限元分析结果的误差为4%。得到的结果表明主镜组件的静态刚度、动态刚度及热环境适应性完全满足设计指标要求。     

2m SiC反射镜柔性被动支撑系统

针对2 m SiC反射镜在地基望远镜中的应用,结合SiC反射镜热膨胀系数大、重量轻的特点,设计了柔性被动支撑系统。该系统底支撑whiffletree结构中的支撑杆采用柔性细杆,侧支撑杆采用柔性铰链结构,从而使底支撑系统和侧支撑系统分别起支撑作用,不但保证了主镜良好的位置误差和形状误差还很好地消除了装配应力和热应力。对在支撑系统作用下反射镜进行了静力学分析、热力学分析和模态分析,并通过面形检测和主镜倾斜与平移检测验证了分析结果。检测显示:反射镜面形(RMS)达到λ/40(光轴竖直)和λ/16(光轴水平),主镜指向不同俯仰角时最大倾斜变化量为8″,偏心为0.070 7mm,基本与分析结果吻合,达到了设计要求,表明这种柔性支撑系统具有很好的工程应用能力。     

中型主镜的柔性半运动学支撑

针对中型反射镜提出了一种柔性半运动学支撑方式,以便简化主镜的支撑结构,降低安装应力对主镜的影响,以及提高主镜支撑对温度变化的适应性。对比小口径主镜的刚性半运动学支撑,详细阐述了柔性半运动学支撑的特点和优势。运用该原理对一口径为710mm的主反射镜的支撑进行了设计、分析、和检测,其中反射镜的轴向采用6点带有柔性细杆的Whiffletree支撑,径向采用带有柔性环的中心轴支撑。然后,利用有限元方法进行了详细的结构优化设计。最后,利用4D干涉仪对主镜竖直和水平两个工况进行了检测。检测结果显示:反射镜的支撑面形与加工面形误差分别为8.7nm和8.4nm,与有限元分析结果基本吻合,验证了文中有限元建模和分析方法的合理性。提出的柔性半运动学支撑很好地保证了主镜面形精度,综合性能良好,达到了设计预期,为中型主镜的支撑设计提供了重要的参考。     

海洋光通信系统光学天线主镜柔性支撑设计

为了使海洋光通信设备主镜组件同时满足高刚度和良好的热尺寸稳定性要求,文章针对海洋光通信设备主镜的柔性支撑进行了优化设计。根据主镜组件的结构特点,制订了柔性支撑设计方案;通过设置柔性铰链的圆弧长度、径向最薄处厚度,设计了主镜柔性支撑;最后,结合有限元分析技术,对主镜组件进行了主镜面形精度、主镜组件刚度和接触应力的仿真分析。结果表明,依据各参数的变化证明了柔性支撑设计方案是合理可行的。     

临近空间816mm口径望远镜复合支撑主镜组件设计

针对某临近空间望远镜高面形精度和0°~65°观测角度的要求,设计了816 mm口径的SiC主镜组件。依据经验公式和拓扑优化方法,完成了主镜的设计,基于大口径反射镜复合支撑原理、功能分配和指标分配以及解耦标准设计了主镜支撑组件,最后根据支撑结构形式和装配公差要求设计了主镜组件装配工装并制定了装配工艺流程。对主镜组件进行了静力学和动力学仿真验证,然后对主镜组件进行振动、面形检测和倾角等试验验证。试验结果表明,主镜组件在光轴水平,1 g重力作用下面形精度RMS值为0.019λ(λ=632.8 nm),反射镜翻转180°后的面形RMS为0.02λ;总质量为102.7 kg,基频为171 Hz,振动前后RMS值基本不变,与分析结果吻合。证明该主镜组件的设计与装调工艺的合理性,满足临近空间望远镜的设计要求。     

4mSiC轻量化主镜的主动支撑系统

针对4 m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大,面形精度要求高的特点,提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重,主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力,从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围,提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化,确定了轴向54点和侧向24点等间距等力（β=0.5）支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时,主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8 nm和82.9 nm。采用主动校正后,主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0 nm和9.8 nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30（λ=632.8 nm）的指标要求。     

1m望远镜主反射镜的支撑和装配

考虑大口径光学望远镜中主反射镜的支撑精度直接影响光电探测设备的整机性能,本文根据光学系统对口径为1 000 mm的主镜的支撑精度要求和光电设备中主镜的使用情况,采用轴向和径向组合支撑的结构形式来完成对主镜的支撑,并通过有限元法对支撑位置进行理论分析和计算.实验显示,在轴向18点浮动支撑、径向3点柔性支撑的情况下,主镜能够达到较高的面形精度.针对传统装调工艺不能获得理想的面形精度,探索了新的主镜装调方法.用干涉仪对带有支撑的主镜进行实时测量并进一步进行修磨,使主镜在装配完成后达到λ/18的面形精度.该方法满足了本项目的指标要求,也为更大口径主镜的装调提供了一种新的思路.     

新型轻质大口径空间反射镜支撑设计

摘要：随着空间反射镜口径的增大,光学系统总质量随之剧增,这与当前光学遥感器轻小型化的发展趋势相矛盾。为了更好的满足空间光学遥感器发展的需要,文章从主反射镜组件的轻质化设计入手,从结构材料热匹配的设计、主镜轻量化形式的确定以及支撑结构的合理设计三个角度系统地进行了一体化结构—热设计。针对某型卡塞格林系统Φ630mm口径主镜进行了轻质化设计,三点为主多点为辅的支撑方案在保持组件结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性。在综合考虑加工和工作状态后,最终确定了一种满足设计要求的整体优选方案,经最终分析计算确认,主镜组件镜面综合面形误差PV值均小于λ/10,各项指标完全满足光学系统对主反射镜的设计要求。     

空间光学遥感器反射镜柔性支撑的设计

为降低光学遥感器反射镜在复杂且恶劣的空间环境下的面形误差,设计了一种柔性支撑结构,使反射镜在具有良好的热尺寸稳定性的同时结构刚度满足力学要求。针对某长圆形光学反射镜组件,通过设置柔性铰链的厚度、最薄处厚度和柔性铰链圆弧半径3个特征参数,对柔性铰链进行合理的结构设计。采用有限元法对反射镜组件在力热耦合状态下的面形精度和结构强度及结构的动态刚度进行仿真分析,结果表明,反射镜面形PV值由350.08nm降至59.03nm,RMS值由102.67nm降至9.11nm,柔性结构保证了反射镜的热尺寸稳定性,同时满足力学要求。最后,对反射镜组件的力热模拟件进行力学试验,得到的结果显示其3个方向的基频分别达到264Hz,290Hz和320Hz。这些结果表明,该柔性支撑结构设计方案是合理可行的。     

大口径空间反射镜大容差支撑结构设计与优化

针对传统反射镜无法消除加工及装配应力,长期使用后面形精度下降不能满足使用要求的问题,提出了一种高稳定性空间反射镜支撑结构的解决方案,进行了具有大容差特性的1.5m口径高精度空间反射镜工程化研究和创制。依据经验和理论,完成了初始反射镜组件构型,反射镜的材料选用RB-SiC,采用三角形背部半开口反射镜轻量化形式和背部三点膜片型柔性支撑结构。以装配误差0.01mm的9种工况下反射镜的面形RMS变化量最小为目标,利用isight软件对反射镜支撑结构的主要尺寸进行了优化设计。最终完成了轻量化率为82.1%,组件质量为170.23kg的反射镜的研制。试验结果表明:反射镜在1 g重力作用下,面形精度RMS优于0.016λ(λ=632.8nm);加入0.02mm强迫位移模拟装配误差,面形RMS仍然为0.016λ;在20℃±5℃温变环境下,面形RMS变化量在0.002λ范围内;组件一阶固有频率为101.3Hz。反射镜组件静态刚度、动态刚度、面形精度以及环境适应性满足空间工程应用要求。     

Bipod反射镜支撑结构的柔度计算及分析

为了改善反射镜在环境温度波动情况下的面形精度下降问题,设计了一种联杆型双轴Bipod柔性支撑结构,并基于柔度理论对它进行了参量优化。首先,对支撑结构的柔度进行了分析和计算,推导出柔性支腿以及反射镜组件的柔度理论公式。然后,以保证反射镜轴向支撑刚度和卸载能力为目的,计算得到一组针对口径为200mm反射镜的柔性支撑结构尺寸参数。最后,通过有限元分析和振动试验,对支撑结构的柔度公式、动态特性、温度适应性进行了分析验证。分析结果显示,在一定作用力下,柔性支腿的理论值与有限元分析值的误差在10%以内;振动试验得到组件的一阶频率为358.5Hz,与理论计算值的相对误差为8.8%;在20℃温差下,反射镜面形精度为7.7nm(rms)。试验结果验证了理论模型的有效性,同时说明Bipod柔性支撑结构能够降低温度波动对反射镜面形的影响。     

1.2m微晶主镜的新型支撑

针对1.2m微晶主镜,提出了基于6套柔性切向杆机构的侧向支撑与基于18点半柔性Whiffletree机构的轴向支撑相结合的新型主镜支撑方案,用于保证该主镜在较大温差范围以及不同俯仰角度下始终保持良好的面形精度及较高的系统刚度。分析了该机构的工作原理,实验测试了主镜的面形精度及支撑系统的模态。机构分析表明该支撑方式可有效保证主镜定位精度和面形精度,并具有热解耦能力;有限元分析确认系统具有良好的支撑性能;面形精度检测得出主镜光轴垂直面形精度RMS达15.25nm,光轴水平面形精度RMS为20.75nm,模态测试则获得主镜支撑系统的一阶固有频率为60.3Hz。实测结果验证了该新型主镜支撑系统具有良好的面形保持能力及支撑刚度,分析结果与实测结果符合度较好,主镜光轴垂直和水平状态面形精度RMS的相对误差分别为14.0%和17.8%,一阶固有频率相对误差为10.8%。得到的结果验证了有限元建模及分析的可信性,支撑系统设计方案的合理性及相关理论推导的正确性。     

小型光学遥感器主镜室的光机结构

设计了一种新的光机结构,以使超小型光学遥感器在宽温度范围及恶劣的动力学环境下能够良好成像。研究了该结构中的核心部件-主镜组件的支撑结构的设计原理和实现方法。通过对主镜室初始设计方案的力、热特性分析,说明了主镜传统支撑方式的局限性。然后,以挠性支撑原理为基础设计了一种新型的适用于小口径反射镜支撑的挠性反射镜支撑结构,对该支撑结构的温度适应性及组件的模态进行了有限元分析,说明了采用这种反射镜挠性支撑结构能够满足设计指标要求。最后,论证了小型光学遥感器主镜室的加工及具体实现方法。对装配后的主镜组件进行了热冲击试验和温度拉偏试验,结果表明:在-60℃~80℃进行热冲击试验后,主镜不会出现炸裂现象;而在-20℃~50℃温度下,反射镜面形精度RMS仍保持在0.025λ(λ=632.8nm)水平。得到的结果验证了主镜室的设计可以满足小型光学遥感器的应用环境要求。     

1.3 m主镜的支承设计

依据1.3 m主镜支承的技术要求,完成了支承结构的设计分析。确定了有中心定位的底面18点支承和侧面水银带支承的技术方案。对于结构复杂的轻质镜,依据均衡原理,利用结构分析并结合插值算法确定了底支承18点的支承位置;在给出了具体底支承结构设计后,对底支承的结构变形和结构设计允差进行了分析。根据主镜立放状态下的受力分析,给出了3个水银带侧支承的设计变量,最终依据镜面Z向变形最小的原则和12种工况下有限元的分析结果,确定了水银带侧支承的设计。在中心定位设计中,考虑到温度变化的影响,选用了特殊的殷钢材料。在具体结构设计中,为减小支承球头与主镜直接接触的不利影响,在支承球头和主镜之间增加了过渡轴套。用Zygo干涉仪检测了装配完成后的主镜,主镜镜面变形PV值为0.7 λ,RMS值为0.15 λ。该支承结构基本满足了设计要求,且结构稳定可靠。分析可知,主镜的厚度可以再适当减薄,进一步减轻重量。     

Optimization of a Wolter type I mirror for a soft X-ray microscope

The demand for an X-ray microscope has received much attention because of the desire to study living cells under high resolution. A Wolter type I mirror used for soft X-ray microscope optics has a number of advantages. Although much progress has been made, it is still not easy to fabricate this mirror and satisfy the surface roughness and figure error requirements. From the mirror fabrication point of view, it is necessary to see the mirror design and the tolerance budget, especially with respect to the surface roughness and the figure errors. This paper deals with the design and optimization of a Wolter type I microscope mirror. The optimization was carried out by choosing an optimum central grazing incidence angle for which a merit function had the maximum value. The image quality of the mirror was also examined. A smaller diameter gave better image quality because of the Abbe sine condition. Finally, the figure errors for the axial and the radial directions were simulated by sinusoidal deformation waves, and the figure tolerance was obtained.     

1.2m望远镜次镜支撑结构设计

研制了一个用于1.2m望远镜的次镜支撑结构,以满足其对刚度和伺服系统带宽的要求。首先,对影响主镜遮拦和支撑系统刚度的四翼梁进行研究。使用动力学建模方法,初选四翼梁结构的参数。然后在ANSYS中建立有限元模型,进行静力学和模态分析。最后,使用试验模态分析法测试设计的支撑结构。有限元分析显示,设计的结构受重力影响会引入0.004 2λ的切向彗差,第一阶模态频率约为57.2Hz。试验模态分析显示,系统第一阶谐振频率为54.1Hz,与理论分析和有限元分析结果一致。实验结果与仿真结果对比后显示:归一化的振型向量中叶片结构振幅较小时,实验模态较难提取,且实验结果略小于有限元分析结果,最大相对误差约为7%。设计的次镜支撑结构遮拦小、刚度好,满足使用要求。