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。     

大口径轻量化主镜边缘侧向支撑的优化设计

对大口径主镜的侧向支撑结构进行了优化,以便最大限度地降低重力作用下的镜面变形。首先,从理论上给出了一种优化主镜边缘侧支撑结构的判据和思路,然后,引入边缘切向剪切侧支撑原理,阐述了这种支撑形式的优化思想和优势。以口径为2060mm的扇形轻量化主镜作为分析实例,采用16个边缘离散支撑点,优化设计等角间距侧向支撑,并针对轻量化主镜的结构特点和等角间距支撑下支撑力值相差较大的缺点,将等角间距改为不等角间距侧向支撑,分析推导了相应的支撑力公式。结果显示,改进后的支撑形式提高了系统的支撑刚度,镜面变形由原来的1.723nm降为1.633nm。所研究的边缘切向剪切支撑方式很大程度上保证了主镜镜面面形,对不同口径的扇形孔轻量化主镜的设计有普适性。     

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.     

大口径主镜的侧向定位系统

针对采用Whiffletree式底支撑和推拉平衡重式侧支撑的大口径主镜在主镜室中的准确定位,基于运动学约束原理提出了一种大口径主镜侧向定位方法。介绍了运动学约束的基本原理,提出了一套主镜侧向定位系统实现方案,包括定位点位置的选取、柔性铰链和定位基座的设计,并设计了一种侧向定位系统。利用有限元方法,分析了设计的侧向定位系统对大口径主镜系统的位置、谐振频率和镜面面形精度等方面的影响。结果表明,使用该侧向定位系统的整个主镜系统谐振频率达到13.6Hz,光轴水平时主镜沿Y轴方向的平均位移为-355.863nm,镜面面形未受影响,所有指标均满足设计要求。实验结果验证了提出的主镜侧向定位系统设计方案对大口径望远镜主镜的支撑和定位系统设计具有工程指导意义。     

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。     

经纬仪主镜轻量化新方法

为了优化2m口径经纬仪主镜概念轻量化结构形式,本文根据柔性极小化原则,采用了有限元拓扑分析方法。经过分析得出,不同材料镜面的优化轻量化结构,其重点保留位置比较接近,最外圈半径为889.5mm,最内侧圈半径为235mm,中间几个保留半径为720～730mm、610～620mm;从轻量化率看,非圆形孔结构平均为70%,圆形孔结构为50％以上;比较微晶玻璃镜面两种轻量化的优化结果,看出,固有频率均为300Hz左右,相对于实体镜,定位作用反力降低很多。分析SiC镜面各种轻量化结构的镜面变形和固有频率得出,圆形孔非均匀分布和封闭六边形结构的镜面位移为0.42～0.45e-5mm,圆孔均匀分布和开放式六边形结构为0.58～0.59e-5mm;圆形孔均匀分布结构的频率为1200Hz,圆形孔非均匀分布为1680Hz,六边形形式为1620～1670Hz左右。经过分析认为,镜面重力载荷分布是非线性的,镜背轻量化结构分布也是非均匀的,这有利于控制镜面变形和固有频率,可供轻量化设计参考。     

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。     

基于液压支撑的大口径主镜稳像技术

望远镜的俯仰运动会使主镜相对镜室的位置发生改变,进而影响望远镜的稳定成像。为了校正主镜位置变化,本文提出了利用液压支撑对主镜相对镜室位置进行实时控制,实现对主镜稳像的方法。利用实验室现有的1.23mSiC主镜为监测目标搭建了测试系统,设计了基于6个位移传感器的位置监测系统。在未启用和启用液压稳像技术两种状态下,测试了主镜位置变化,并对主镜位置进行解算,试验结果表明液压支撑技术有确实的稳像效果。当镜室转动40°时,未稳像的主镜其X向平移变化为150μm,绕X轴转角为2.5"。采用液压稳像后,X向平移变化减小为3μm而绕X轴转角减小为0.4"。测试结果表明,基于液压支撑的主镜稳像技术可以实现对主镜位置的实时检测和控制。     

大口径望远镜主镜能动支撑驱动器的个体设计和性能测试

大口径望远镜主镜由于体积和质量过大,产生镜面面形变化而影响观测质量。为即时修正面形,现提出了一套力驱动器系统,利用多个该系统组成的能动支撑系统可以对镜体作用达到修正目的。采用了电机、减速器、滚珠丝杠、弹簧组为主要部件,配合传感器和控制器构成了力驱动器系统,并进行了性能实验。实验结果表明,驱动器能够达到设计要求。     

大口径光电探测设备主镜晃动的误差补偿

针对大口径光电探测设备在随俯仰角变化时由于主镜支撑点的变化而产生的晃动,研究了在静态测量时如何补偿主镜晃动造成的误差以提高大口径望远镜的静态测量精度。首先给出了一个1m口径望远镜的支撑结构和力学模型,在分析了传统三轴误差补偿方法和球谐误差补偿方法的基础上提出了针对大口径望远镜的误差补偿方法。在外场对光测设备进行了标校实验,选取32颗恒星在修正了蒙气差后对各个系统差进行求解,得出了主镜晃动误差和三轴差。与传统误差补偿方法的比较结果显示:加入主镜晃动误差补偿后,望远镜的静态测量精度从15.4″提高到了2.5″。此种方法物理意义明确,各误差分量重复性好,对主镜晃动误差进行补偿修正后提高了大口径望远镜的静态测量精度。     

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.     

大口径长条形反射镜组件自重变形的仿真与试验

研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化,实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理,分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理,提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法;针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象,求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示:Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%,而球面方程拟合法的计算精度为12.6%;对仿真分析结果的误差评价表明,采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右,与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明,由于Zernike多项式拟合法自身的局限性,不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合,而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。     

离轴三反光学镜头像面畸变的标定方法

介绍了一种离轴三反光学镜头像面畸变的标定方法和步骤,以及建立标定系统的原理和组成。对三反系统镜头像面畸变进行了分析,建立了畸变的数学模型,应用最小二乘多元回归的方法,求得镜头的成像像面方向的畸变。实际标定结果表明:该方法对像面绝对畸变的标定精度可以优于2μm（1σ）,相对测量精度优于1×10-4（1σ）。该方法可以满足离轴三反镜头高精度畸变标定要求,具有实际应用价值。     

大口径碳化硅材料凸非球面反射镜检验技术

为了实现某大口径碳化硅材料凸非球面反射镜检验,研究了无像差点法以及补偿检验法方案,经过方案比较优选,确定选用补偿检验方案并专门设计了高精度大口径非球面补偿器,设计精度为PV：0.0082,RMS：0.0029（=0.6328nm）,采用会聚光束、使用大口径数字干涉仪进行凸非球面正面检测,采用该方法进行检验凸非球面反射镜最终检测结果为0.022（RMS）本文所述补偿器的设计方法和要求具有普遍性,设计结果也可用于同类型大口径凸非球面检验用补偿器的设计。采用该方法提高了凸非球面检测精度,并且在凸非球面镜的材料选择、结构设计、支撑方式等方面提供了更多的优化空间,为新型光学材料在凸非球面反射镜的应用铺平了道路。