空间相机1 m口径反射镜组件结构设计

针对1 m口径空间相机反射镜的设计要求,提出了一种新的反射镜柔性支撑结构.以材料选择、径厚比、支撑点数量和位置、轻量化结构形式等为设计变量,以自重作用下反射镜面形精度rms值为目标函数,优化设计了一种背部开口、三角形轻量化孔、背部三点支撑的SiC空间反射镜结构,同时提出了一种反射镜柔性支撑结构.对反射镜在光轴水平状态下进行装调检测时影响反射镜面形精度的柔性支撑结构参数进行了灵敏度分析,找到了影响反射镜面形精度的结构参数.对反射镜组件动、静态特性和热特性进行了有限元分析,分析结果表明,光轴水平方向重力载荷作用下反射镜面形精度rms达到5.6nm,4℃均匀温升工况下反射镜面形rms为2.7 nm,反射镜组件一阶固有频率为192Hz.最后,进行了反射镜组件的动力学测试试验,测得反射镜组件一阶固有频率为197 Hz,最大响应应力为181MPa,验证了有限元分析的准确性.得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求.     

径向温度梯度对轻量化反射镜面形精度的影响

为了分析径向温度梯度对轻量化反射镜面形精度的影响,以某空间相机2m口径轻量化反射镜为研究对象,建立了反射镜有限元模型,分析了不同分布形式的径向温度梯度对轻量化反射镜面形RMS的影响程度,通过试验验证了仿真方法及结论的准确性,研究了不同轻量化结构与径向温度梯度对反射镜面形精度的耦合影响。结果表明:不同分布模式的径向温度梯度引起的面形RMS值最大可相差294倍,且径向梯度引起的面形误差无法通过优化反射镜支撑方案的方式使其减小。不同轻量化结构的反射镜面形精度对不同分布模式的径向温度梯度敏感度不同,三叶式削边和对称式削边的轻量化方式在特定径向温度场分布模式下,会对反射镜热稳定性产生极不利影响。     

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。     

胶层厚度对三点支撑反射镜面形的影响

以45nm浸没式光刻物镜中采用的三点支撑反射镜为研究对象,建立了胶层连接的三点边缘支撑结构模型,用以确定胶层厚度对三点支撑反射镜面形变化的影响。分析了重力作用下三点支撑反射镜的面形变化情况,通过解析表达式描述了胶层厚度对反射镜受力变形的影响。建立了"支撑块-胶层-反射镜"的有限元计算模型,针对不同胶层厚度对反射镜的面形变化进行了仿真分析。仿真结果表明:随着胶层厚度的增大,反射镜的面形变化(均方根值RMS)呈现先减小后增大的趋势;当胶层厚度为280μm时,反射镜面形变化的RMS值最小,约为1.25nm。最后,通过实验测量了柔性双脚架三点边缘支撑导致的反射镜面形变化。结果显示:当胶层厚度为200,280,400μm时,反射镜面形的变化结果均与仿真结果一致,验证了本文仿真结果的正确性。     

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。     

大口径轻质反射镜坯的制造

给出了制造大口径轻质反射镜坯的机械法减重技术及所制造的反射镜坯.在镜坯制造过程中通过计算机辅助设计搜索轻量化加工区域的形状、大小、深度,并对其进行分类标识;编辑TPH(toolpath)轨迹数据文件,编写CNC(comput ernumbercontrol)数控系统的零件加工程序,由数控系统在图形方式下控制实际加工.同时采用化学方法消除加工过程中产生的应力与微小裂纹.加工出的大口径轻质反射镜坯达到设计要求,轻量化率达到65%以上,加工后的非球面面形精度达到0.029λ(rms,λ=633nm).制造过程中在不同支撑状态下,变形量很小,保持了非球面面形精度稳定性,显示出了结构的稳定性.该方法已经成为大口径反射镜制造的关键支撑技术.     

1.2m SiC主镜轻量化设计与分析

为了探索研究大口径轻量化SiC主镜的可行性,对比分析了各种主镜轻量化形式的优缺点,确定了主镜的支撑方式;然后,从理论上计算了轻量化镜体结构参数,设计了采用夹心三明治结构扇形轻量化孔形式的1.23 m SiC轻量化主镜.利用有限元方法分析了轻量化主镜在浮动支撑下的自重变形,两种工况下的面形分别为:PV=9.43 nm,RMS=2.5 nm;PV=16.7 nm,RMS=3.2 nm.分析结果表明,镜体的自重变形影响较小,可以满足要求.而由于SiC的热膨胀系数较大,热变形影响较大,在稳态温度场下,温度每相差1 ℃,镜面面形变化约为PV=40 nm,RMS=4.8 nm,说明为了达到了设计要求,必须对镜体采取热控措施.     

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。     

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.     

平面子孔径拼接测量实验研究

通过椭圆形口径（长轴225mm,短轴161mm）SiC平面反射镜的全口径面形测量加工实验,验证了一种新的子孔径拼接测量算法—子孔径拼接迭代算法（SASL算法）的有效性。首先用100mm口径平面平晶的子孔径拼接测量与全口径测量的对比实验,确定了拼接测量相关参数及测量装置的精度指标。在此基础上设计了SiC平面反射镜的子孔径拼接实验,在搭建的拼接装置上实现了五次离子束迭代加工过程中和最终的全口径面形测量。这是国内首次将子孔径拼接测量方法用于指导加工实践,加工过程中的测量结果为面形误差修正提供了准确的数据,保证了最终全口径面形误差快速收敛到RMS 50nm。实验证明,SASL算法能大大放宽拼接装置对准运动的精度要求,并减少拼接过程对拼接结果的影响。     

大口径SiC轻量化主镜热变形的定标

为了准确地预算出大口径SiC轻量化主镜镜面的温度变形,研究了不同热模式下SiC轻量化主镜镜面面形的定标和计算方法.将SiC轻量化主镜上的温度传感器在轴向厚度方向上进行分层处理,对每层上的温度分布采用准Zernike多项式进行拟合.以4 m SiC轻量化主镜为例,采用有限元法分别对准Zernike前9项温度模式(18种温度场)下的镜面变形进行定标计算,得出各种单位载荷作用下轻量化主镜镜面的最大变形以及面形误差PV值和RMS值.计算结果表明:准Zernike第一项模式、单位载荷作用下镜面变形最大,其面形误差RMS为278.3 nm.采用最小二乘法对各种温差场下的镜面误差进行准Zernike多项式拟合,获得了准Zernike像差项的系数.采用最小二乘法拟合计算出镜面变形误差产生的准Zernike像差项的系数,结果表明,18种温度场下产生的像差形式主要有:平移、倾斜、离焦、彗差和像散.     

1.23m SiC主镜的本征模式主动光学校正

采用直接最小二乘法和自由谐振法对大口径高刚度SiC主镜进行主动校正易引入较多解算误差,故本文提出以主镜的本征模式进行主镜面型校正来优化解算校正力幅值,以改进系统校正效果。该方法首先对主镜的响应矩阵进行一系列数学转换,得到一组相互正交的主镜本征模式,然后以各模式面形拟合校正目标,解算校正力。对1.23m SiC主镜和主动支撑系统进行了有限元建模,通过仿真验证了提出方法的正确性。在此基础上,在搭建的1.23m SiC主镜主动光学实验系统上进行了主动光学校正实验,并针对实验系统进一步优化了提出的方法。实验结果显示:利用该方法可将实验系统主镜面形误差由0.23λRMS校正至0.048λRMS,表明以主镜本征模式进行主动校正,可有效抑制解算校正力幅值,提高系统校正能力。该方法适用于大口径、高刚度SiC主镜的主动校正。     

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。     

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·m^1/2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。     

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。     

SiC反射镜及其制备工艺的研究进展

阐述了SiC反射镜的制备工艺及方法特点,对其坯体制备、表面致密化涂层、表面光学精加工和轻量化作了详尽的表述;着重介绍了SiC反射镜的国内外发展现状,并讨论了其今后的发展方向.     

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。     

环境对大口径SiC轻量化主镜视宁度的影响

由于地基大口径望远镜主镜视宁度与望远镜系统成像质量相关,本文研究了环境对主镜视宁度的影响。理论分析了影响主镜视宁度大小的因素,得出主镜视宁度会随主镜表面和环境之间温差的增大而增大的结论。利用有限元法分析了自然对流和吹风条件下主镜的温度变化和温度分布;最后通过相应工况条件下2mSiC轻量化主镜的温度测试实验对仿真分析结果进行了验证。实验结果显示:在初始温差为6℃的无风自然对流情况下,主镜与环境达到温度平衡约需4h;而在初始温差为8℃的吹风情况下,主镜与环境达到热平衡仅需1.5h。分析和实验结果表明:采用强迫对流热控措施可快速而有效地将主镜视宁度控制在合理的范围内,可获得更多的望远镜观测时间,同时保证大口径望远镜系统的成像质量。     

1.2米SiC主镜轻量化设计与分析

为了探索研究地基大口径轻量化SiC主镜的可行性。对比分析了各种轻量化形式的优缺点,确定了主镜的支撑方式,然后从理论上计算了轻量化镜体结构参数,确定采用夹心三明治结构扇形轻量化孔形式。利用有限元方法分析了轻量化主镜在浮动支撑下的自重变形和热变形,分析结果表明,镜体的自重变形影响较小,可以满足要求,而由于SiC的热膨胀系数较大,热变形影响较大,为了达到了设计要求,必须对镜体采取热控措施。