大口径空间红外相机铍铝合金反射镜组件材料选择与设计

针对某空间摆扫相机系统，为了保证空间红外相机获得轻质、可靠的摆扫头部，且各反射镜均具有良好的面形精度及较高的一阶固有频率，对其摆扫部分的结构进行了针对性研究。选择了铍铝合金材料作为Φ750 mm口径主反射镜材料，以钛合金材料的柔性支撑结构支撑，安装在铍铝合金材料的主镜室内。包含次镜组件、次镜支撑和遮光筒，整个摆动部分总质量为17.5 kg。采用有限元方法对反射镜组件在力热耦合状态下进行了仿真分析，结果表明反射镜全口径最大面形误差RMS值为27.04 nm，满足全口径范围内面形误差不低于λ/20(λ=632.8 nm) 的要求。摆动部分一阶谐振频率为122 Hz，为控制系统预留了较大的带宽。实体模型的力学试验结果与有限元分析结果接近，表明满足总体对摆扫部分的设计要求。     

空间引力波望远镜主镜组件的结构设计

针对空间引力波望远镜皮米量级的极高光程稳定性需求,对系统中主镜组件进行了优化设计。采用微晶玻璃（Zerodur）作为反射镜材料,支撑结构材料为铟钢（4J36）。首先,通过对反射镜参数的优化,使其在保证面形精度的同时镜体轻量化率达到了72%。然后,设计了一种双轴联杆型Bipod柔性反射镜支撑结构,并采用了侧面三点支撑的形式。以保证有效的支撑刚度及卸载效果为目的,建立了柔性铰链的数学模型,并基于Matlab对其尺寸参数进行了优化。最后,对优化设计后主镜组件进行了模态分析及振动试验,并完成了在轨分析与波前质量计算。结果显示,主镜组件的一阶固有频率为373 Hz,与试验结果的相对误差为3.5%;在轨环境下主镜面形精度达到8.9 nm（RMS）;波前精度为/5（=1 064 nm）。表明该反射镜组件满足设计指标要求。     

空间遥感器主反射镜在宽温度范围内的环境适应性设计

主反射镜的面形精度对空间相机的成像质量至关重要。为保证 空间相机在宽温度范围(20±10℃)内的成像质量,设计了一种柔性支撑结构。首先,选择碳化硅(SiC) 作为反射镜材料,并对主反射镜镜体进行了背部半封闭式轻量化处理。其次,针对这个孔径为550 mm的圆 形主镜组件在20±10℃温度范围内的使用环境,设计了一种柔性铰链结构。利用Matlab软件优化了支撑结构参 数,使得支撑柔性结构在受到温度载荷时沿着径向具有足够的柔性,并可吸收变形和降低反射镜应 力。通过有限元分析可以看出,该支撑结构的一阶频率达到267 Hz,远高于机身组件的固有频率,因此可保 证主镜组件不遭到破坏。而且在重力耦合10℃温度载荷时,反射镜的面形误差(RMS值)也满足光学 系统优于λ/40的要求。     

大口径空间反射镜轻量化设计及其柔性支撑

设计了空间相机1.5 m口径反射镜组件的结构系统。首先,根据反射镜材料选取原则,选用SiC作为反射镜镜坯材料。初步确定了反射镜支撑方式、镜体结构参数,并对反射镜进行轻量化设计。通过对反射镜结构参数进行优化,得到重为152.4 kg的反射镜结构,轻量化率达到83%。然后,设计了一种双轴柔性铰链结构,并找出了在装调方向柔性铰链安装位置对面形精度的影响规律,利用有限元法对反射镜组件进行了动、静态特性及热特性分析,结果表明,反射镜组件一阶固有频率为100.6 Hz,在1 g重力及4 ℃均匀温升工况下反射镜面形精度RMS值分别为7.7 nm和8.4 nm。最后,对反射镜组件进行动力学试验及面形精度检测,结果表明反射镜组件完全满足设计指标要求。     

空间相机用大口径圆形主反射镜设计

主镜是空间相机的主要成像部件,其面形误差和位置误差将会决定成像质量。设计了一种孔径为9660 IlllTI的圆形主镜组件。通过对比6点定位原理实现反射镜体的全约束,并经三点在背部支撑主镜,其中每点均为多层柔性结构。合理分配每点支撑的自由度及刚度,同时卸载温度变化时由于材料的线胀系数不同而传递到反射镜上的应力,使反射镜变形均匀。有限元分析结果表明,本文设计的主镜组件的面形误差RMS值达到1/50λ(λ=632.8 nm),一阶模态达到249 Hz,并具有良好的动态刚度。     

大口径离轴反射镜四点热锁辅助支撑设计与验证

针对大口径离轴反射镜组件高面形精度、高可靠性和高稳定性支撑的要求,设计了一种中心筒支撑配合四点可自由加、解热锁辅助支撑的离轴反射镜新型复合支撑方案,热锁部件在力学试验和发射过程中锁紧,地面测试及在轨时释放,在保证面形的同时,有效提升了反射镜组件基频及抗力学性能,并在某空间遥感器706 mm×560 mm口径离轴反射镜组件研制中进行了验证,结果表明采用四点热锁辅助支撑的反射镜组件在加锁后动态性能优良,满足基频大于120 Hz、静载30 g条件下胶应力≤3 MPa的要求,且加锁前及解锁后面形均满足RMS优于λ/40 （λ=632.8 nm）的要求,验证了该设计的有效性。     

空间遥感相机大口径反射镜结构优化设计

为满足大口径反射镜在复杂空间环境下对高面形精度和热稳定性的要求,针对某Φ660 mm口径反射镜进行了轻量化研究。提出了一种采用经典理论公式创建反射镜初始结构,结合灵敏度分析和参数优化进行综合设计的方法。首先构建了反射镜参数化模型,采用灵敏度分析研究镜体结构参数对面形变化的影响规律,找到对镜面面形RMS值灵敏度高的结构参数进行优化迭代。相比于传统反射镜结构设计方法,此方法缩小了优化设计空间,节约了计算成本与时间,能够在设计空间内全局寻优,较快收敛于最优值。优化后反射镜在自重载荷工况下镜面面形PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40(λ=632.8 nm),镜体质量为13.6 kg,轻量化率达78.4%。镜体组件一阶频率为121 Hz,满足反射镜动态刚度要求,根据优化后的结果建立了反射镜的最佳结构模型,并进行了投产制造。     

离轴三反光学系统主三反射镜支撑结构设计

主三反射镜支撑结构是离轴三反生物成像系统研制过程中的关键技术难点之一,为了减少工作环境下主三镜面形变化,满足支撑系统稳定性要求,利用有限元方法对主三镜组件进行了优化设计。首先,根据光学系统设计要求确定了反射镜及其支撑结构的材料和支撑方式。接着,优化布局了反射镜底部3点和侧面6点支撑位置,设计了轻量化镜室结构。根据优化数学模型设计了圆弧悬臂梁式柔性铰链结构,分析了在重力工况下和温度载荷工况下各参数对镜面面形精度的影响。然后,对反射镜支撑组件进行了静力学和热力学仿真分析,分析结果为重力工况下镜面均方根值RMS为1.529 nm,温度变化4 ℃时镜面均方根值RMS为2.426 nm。最后,采用Zygo干涉仪对支撑作用下的主三反射镜和系统波像差进行检测,实测反射镜镜面RMS值为0.025 λ,系统波像差RMS值为0.102 λ (λ=632.8 nm),基本满足了生物成像系统技术指标（主三镜镜面RMS≤λ/40,系统波像差RMS≤λ/10）要求。     

空间相机快速反射镜的结构轻量化设计

针对空间相机快速反射镜的工作条件和工作要求,提出了快速反射镜的结构轻量化设计方案。以100 mm口径圆形反射镜为研究对象,设计了利用加强筋减重的反射镜轻量化结构,并提出了基于镜面抗弯刚度等效的等效标准圆镜厚度的计算方法;分别设计了基于镶嵌体结构的背部三点支撑方案和背部中心支撑方案,有限元对比分析的结果表明,采用背部中心支撑方案可以避免镜座与反射镜之间因温度变形不协调引起的多个支撑点相互干涉,镜面面形精度较高,并且由于结构简单,其摆动组件的总质量更轻;为了进一步提高快速反射镜结构的综合性能,同时以摆动组件的总质量及镜面面形的均方根值为优化目标,对背部中心支撑方案下快速反射镜的主要结构参数进行了多目标优化,优化结果显示,加强筋的高度和镶嵌体的壁厚对结构综合性能的贡献最大;最终优化方案下快速反射镜的摆动组件总质量仅为95.75 g,结构的一阶谐振频率为217 Hz,在-8℃温度载荷的作用下,镜面面形的RMS为7.26 nm,满足设计要求的同时,反射镜实现了40.4%的轻量化率。     

GEO激光通信系统主镜组件优化设计

为保证GEO激光通信系统主镜的面形误差、主镜组件的结构刚度满足设计要求,需要进行主镜组件结构参数优化设计。由于组件的结构参数较多,为避免参数之间重复优化,提高优化设计效率,采用正交优化方法,用9种结构参数组合完成全部81种参数组合的主镜优化设计,保证了1 g重力、2℃径向温差分别作用时的面形误差RMS值满足RMS/50（=632.8 nm）的面形精度要求,并且改善了5℃均匀温升作用下的面形误差RMS值;在此基础上,进行了柔性支撑优化设计。仿真分析表明,主镜组件一阶频率为213 Hz,高于要求的200 Hz固有频率,主镜在1 g重力、2℃镜体径向温差和5℃均匀温升共同作用下的最大面形误差为10.78 nm,满足面形精度要求。经实验测试:5℃均匀温升的面形误差RMS值为7.27 nm,优于设计要求。优化设计为主镜组件的设计、加工、装校提供了技术支撑。     

子孔径拼接检测光学平面反射镜技术

干涉检测作为高精度光学面形加工的基础,其检测精度决定了加工精度。为了解决大口径光学平面反射镜检测问题,基于子孔径拼接算法,提出了一种拼接因子用于重叠区域取值,同时利用 100mm口径干涉仪对120mm口径平面反射镜完成拼接检验,并将拼接检测结果与利用150mm 口径干涉仪直接检测结果进行了对比分析,实验结果表明,拼接结果无拼痕,拼接检测结果与全口径测量结果PV 与RMS 的相对偏差分别为7.25%与7.14%,检测面形是一致的,由此验证了拼接检测的可靠性和准确性。     

大口径望远镜主镜支撑系统装调

针对1.2 m大口径望远镜主镜支撑系统,为保证主镜面形精度均方根要求,提出了一种有效的装调方法。该主镜支撑系统结合运动学原理,分别设计了Whiffletree轴向支撑和柔性切向杆侧向支撑结构,以保证其在较大温差范围内（-20~60℃）以及不同俯仰状态下（垂直-水平）始终具有较好的面形精度。机械加工误差及安装误差使柔性机构在组装过程中极易引入装配应力,明显地增大主镜表面变形。借助于有限元软件对装调过程中可能出现的误差进行仿真分析,根据结果制定装调流程,并对实际装调进行指导。完成主镜支撑系统装调后,采用补偿器和干涉仪对主镜的垂直检测及水平检测,检测出两种状态下主镜的实际面形误差分别为/42和/31（=632.8 nm）。     

夏克哈特曼扫描拼接检测平面镜(特邀)

随着先进光学系统设计与制造的发展,大口径光学系统得到了广泛的应用。然而,大口径平面镜高精度面形的检测手段不足,限制了大口径平面镜的制造与应用。为实现大口径平面反射镜的高精度面形检测,提出一种夏克哈特曼扫描拼接检测平面镜面形的方法。对扫描拼接原理、波前重构算法进行了研究,建立了微透镜阵列成像的数学模型,验证了夏克哈特曼扫描拼接检测原理的可行性。针对一口径为150 mm的平面镜进行了扫描拼接检测实验,拼接得到的全口径面形为0.019λ RMS(λ=635 nm);与干涉检测结果对比,检测精度为0.008λ RMS,结果表明该方法能够实现大口径平面反射镜的高精度检测。     

基于最大似然估计算法的子孔径拼接检测技术

大口径平面镜作为光学系统的重要组成部分, 其面形精度对系统成像具有重要影响。子孔径拼接检测作为大口径光学平面反射镜检测的常用手段, 子孔径拼接算法是该技术的核心。研究了平面子孔径拼接算法, 基于最大似然估计与正交化Zernike多项式拟合建立了一套合理的拼接算法与数学模型, 基于该算法模型可以有效实现对大口径平面镜的拼接检测, 同时编写了相应的拼接程序, 并利用100 mm干涉仪对120 mm的平面镜进行了拼接检测, 给出了拼接检测与全口径检测的对比结果, 对比结果表明: 拼接所得全孔径相位分布与全口径检测结果的RMS值偏差分别为0.002, 验证了算法的可靠性与准确性。     

大口径离轴碳化硅非球面反射镜加工与检测技术研究

分析了碳化硅作为空间反射镜材料的各种优点,研究了加工和检测离轴碳化硅非球面反射镜的各项关键技术。利用自行开发的非球面加工中心FSGJ-2对离轴碳化硅非球面进行了研磨、抛光和轮廓测量,分析了计算全息补偿检测离轴非球面的基本原理,并专门设计研制了计算全息衍射检测装置,对大口径离轴非球面反射镜进行了零位补偿干涉测量。结合工程实例对一口径为468mm×296mm的离轴碳化硅非球面进行了超精加工与检测,最终面形误差峰谷(PV)值为0.148λ,均方根(RMS)值为0.017λ(λ=632.8nm),达到了良好的效果。     

薄型折反系统布局及金属主镜安装影响分析

对于含口径80 mm 的高次非球面金属主镜、主镜顶点到像面距离仅为17.5 mm 的薄型折反式光学系统,设计了带3 安装耳的主镜,并利用组件合并及周向同环交错前向安装的方式,在保证所有光机件顺利布局的基础上,有效增加了主镜镜体厚度提高了结构刚度。为分析金属主镜在安装应力下的面形,利用ANSYS 预紧力单元模拟螺钉连接的预紧力,在模态校核的基础上分析了主镜柔性支撑环板在不同厚度以及安装面不平时的波面变形。提出的轴向受限的主镜组件结构方案、安装应力变形的集成分析方法及解决方案,为提高主镜的装配面形精度以保证光学系统的成像质量提供了光机设计参考。     

大口径动态扫描反射镜背部悬浮支撑结构设计

为了消除自重和热应力对大口径平面反射镜面形精度的影响,采用有限元分析方法,对比分析了在-20℃环境温度下采用背部固定约束与背部浮动约束获得的反射镜面形仿真数据,设计了动态扫描反射镜背部悬浮支撑结构以实现浮动约束,搭建了检测平台,并进行了大口径平面反射镜面形检测。结果表明,安装该支撑结构后反射镜的面形峰谷值为0.236,平均值为0.049。背部悬浮支撑结构实现了浮动约束,释放了大口径平面反射镜因自重和热应力造成的变形,有效保证了面形精度。