高精度星相机光学系统像质评价及实现

摘要： 高精度星相机光学系统是实现高性能星相机的关键技术.从工程实际出发，梳理星相机光学系统像质评价的指标，重点论述星点质心位置指标分解、光学系统评价指标分解过程.分析认为星相机光学系统设计过程中需关注质心位置偏差和质心位置与理想像高的偏差、温度分析需兼顾均匀温升及梯度温度变化.给出一个继承于双高斯结构形式的设计实例，结合像差理论进行消热设计和畸变控制，分析不同温度条件下不同类别恒星的质心位置一致性.设计结果表明该光学系统可满足高精度星相机指标要求.     

天基激光测距载荷单反射镜组件柔性设计与力热稳定性分析

针对激光通信与测距一体化星间链路载荷轻小型单反射镜组件进行结构设计与力热稳定性研究，开展单反镜柔性支撑机构优化设计，根据运载力学环境与在轨力热环境工况，对反射镜组件进行光机集成分析，验证光机结构的在轨力热稳定性.分析结果表明，双层圆弧形槽口柔性支撑结构在温度拉偏后反射镜的面型精度均方根（RMS）可达λ/72，基频模态为417.93Hz，满足指标要求.进一步对反射镜组件进行动力学分析，随机振动分析结果表明，反射镜加速度响应均方根为11a_rms，满足3σ准则.通过0.2g正弦扫频试验验证了有限元模态分析相对误差为2.23%，实验结果表明，反射镜组件柔性支撑设计合理，力热稳定性分析结果基本准确可靠，满足工况要求.      

基于在轨温度测量数据的整星结构尺寸稳定性分析

针对高精度测绘卫星结构尺寸稳定性这一关键性问题，基于在轨温度测量数据，利用热分析模型和在轨温度变化规律，提出了卫星结构在轨温度场的反演方法。基于卫星结构在轨温度场反演数据，提出了针对载荷安装面法向夹角的拟合计算方法和夹角稳定性短期、长期指标的预示方法。根据该方法，给出了高分七号卫星在轨初期1个月内的结构稳定短期指标和长期指标预示结果，并对短期稳定性预示结果进行了统计分析。结果表明，各载荷安装面短期稳定性分析结果满足指标要求，相关分析方法可为同类航天器的结构热变形分析提供参考。     

带摆镜的制冷型中波红外像方扫描光学系统设计

基本形式的像方扫描光学系统依然需要复杂的二维回转机构带动成像镜组做二维扫描,所以二维回转机构需要承担较大载荷。分析了基本形式的像方扫描光学系统形式,并在基本形式基础上加入摆镜,只通过二维摆镜的旋转达到扫描像面的目的,大大减小二维回转机构载荷,提高扫描速度,简化了系统结构,减小了系统体积。加入摆镜后的光学系统除具有基本形式像方扫描光学系统的性质外,还有了新的限制条件,对带摆镜的像方扫描光学系统进行了分析,提出了设计条件及设计方法,并设计出具有较大视场的像方扫描光学系统。     

基于结构分区与应变电桥解耦的支柱式主起落架载荷测量

为解决应变法测量支柱式主起落架载荷中的低灵敏度、高耦合度和强非线性等问题，提出了结构分区解耦和应变电桥解耦设计方法。在集中传力的轮轴和活塞杆上优选出不同等效分量载荷作用下的结构变形有效部位，并在对应部位优化布置了弯矩-剪力-扭矩应变电桥阵列，通过某型飞机起落架综合加载校准，得到了简洁可靠的支柱式主起落架载荷测量模型。载荷校准试验表明:轮轴上剪力电桥对垂向载荷的响应灵敏度相比支柱上拉压电桥对垂向载荷的响应灵敏度提高约60%，并与压缩行程变化无关。在该型机着陆试验中，利用所提载荷测量模型和飞行数据计算得到了满足工程精度要求的主起落架着陆载荷和缓冲器功量吸收结果。      

基于旋转双光楔的像方扫描大视场成像光学系统设计

针对无人机传统外挂式光电载荷吊舱窗口尺寸大、无法实现大视场扫描需求的现状，提出了一种基于旋转双光楔的像方扫描红外大视场成像光学系统设计。该系统在传统像方扫描光学镜组基础上引入了双光楔扫描器，以增大系统的扫描视场角，解决了高速无人机目前面临的红外窗口有限且成像视场角小的问题。采用光学设计软件进行了仿真，设计后的光学系统物方视场范围为±21.665°，满足了大视场范围的工作要求。设计结果表明，在工作波段（3.7μm ~4.8μm）范围内，该系统的成像质量高，中心视场调制传递函数在33(lp/mm)空间频率下可达0.45，全视场范围内的调制传递函数>0.42@33(lp/mm)，像点能量集中度较好，接近衍射极限。与传统扫描光学系统相比，采用基于旋转双光楔的新型像方扫描成像光学系统设计，在保证各项设计指标不变的前提下，能够将光学系统的径向尺寸减少20%以上，可满足未来无人机实现轻量化和小型化的应用需求，拥有良好的应用前景。     

高分七号卫星结构尺寸稳定性设计与验证

尺寸稳定性是高分七号卫星(GF-7)结构设计的重要使命。针对GF 7结构尺寸稳定性设计需求，开展了影响因素分析，并针对分解指标给出了适用于航天器结构的尺寸稳定性设计和验证流程。首先，在整星结构构型设计的基础上，通过灵敏度分析确定了结构选材方案。随后，针对尺寸稳定性关键件一体化支架,提出了热控设计和结构设计方案。最终，通过舱段级热稳定性试验获得了结构平均热膨胀系数等结构稳定性关键参数，利用经试验结果修正后的有限元模型开展了卫星在轨热变形分析并验证了指标的可实现性。结果表明，GF-7结构设计满足载荷安装面指向变化亚角秒级的尺寸稳定性指标要求。     

轻型空间相机桁架结构设计与模态分析

为设计适合轻型高分辨空间相机的桁架结构,研究了模态分析的方法和桁架设计中需要考虑的问题.通过对不同的次镜支撑结构进行模态分析和对比,提出了适用于轻型相机的三翼中心三角次镜支撑结构,并完成了整体桁架结构的设计.有限元分析结果表明,所设计的桁架结构具有固有频率高、质量轻等优点,能够满足轻型空间相机的要求,并可以作为其他大口径空间相机桁架结构的设计参考.      

大口径微波光学一体化空间成像技术

针对传统多载荷遥感卫星系统集成度低的问题,提出一种共结构大口径微波与光学一体化空间成像方法,即采用微波、光学成像系统共用卡塞格伦结构的一体化载荷设计,并通过波长分光镜对接收信号进行分光成像。载荷主反射面结构为微波天线和多光学反射镜组成的抛物面,其中光学主镜系统采用婓索干涉Golay6分布式结构组成非连续抛物面,并采用模块化设计将成像载荷进行拼接。模块化设计易于大口径微波与光学成像结构的加工、装配,相较传统多载荷卫星载荷集成度更高,系统更加简化。通过Matlab和Zemax软件对一体化空间载荷进行仿真分析,结果表明,所设计的大口径微波与光学一体化空间成像载荷,满足微波成像的最小有效面积要求和光学成像的调制传递函数(MTF)值要求。     

旋转对称结构零部件时变可靠性模型

分析了旋转对称结构零部件的失效特点以及对称单元数对零部件可靠性的影响,建立了能体现对称单元数的旋转对称结构零部件强度概率密度函数和累积分布函数.分别以随机载荷作用次数和时间为寿命度量指标,建立了随机载荷作用下能够全面体现载荷、强度、对称单元数、寿命指标等参数影响的旋转对称结构零部件时变可靠性模型与失效率计算模型.研究表明:在强度不退化的情况下,旋转对称结构零部件的可靠度也会随着寿命指标(载荷作用次数或时间)逐渐降低,失效率随寿命指标逐渐减小.对于具有相同对称单元的旋转对称结构零部件,随着对称单元数的增加,零部件可靠度会降低且失效率会增大.     

折叠翼无人机冷气发射装置动态特性分析及优化

针对冷气投放装置工作过程中存在的机械系统和气压系统耦合非线性动力学问题,提出了一种满足折叠翼无人机（UAV）结构形式和空中发射技术要求的冷气发射动态特性分析方法及优化设计方法。以某型折叠翼无人机为研究对象,基于联合仿真建立了无人机气动发射系统动力学模型,搭建了冷气发射系统试验样机,并完成压缩气体空中发射试验,验证了仿真模型的准确性。在此基础上,分析了无人机与冷气发射装置主要系统参数对无人机发射动态性能的影响,针对该系统进行了参数优化设计。结果表明:储气瓶体积和充气压力是影响无人机冷气发射动态特性的关键参数,随着储气瓶体积和充气压力增大,最大发射速度和加速度明显增大,储气瓶体积从15 L增加至30 L,最大发射速度增加了52.7%,最大发射加速度增长了60.9%呈正相关影响;充气压力从0.4 MPa增加至0.7 MPa,最大发射速度增长了50.5%,最大发射加速度增长了69.9%;发射角度对无人机发射性能影响较小,可忽略不计。      

喷嘴挡板式三通气动阀控缸特性分析

喷嘴挡板式三通气动阀控不对称缸常用于航空发动机起动系统的引气控制。在分析由固定节流孔、喷嘴挡板可变节流孔和容腔组成的喷嘴挡板式气动三通阀原理的基础上,建立了气动三通阀控不对称缸差动系统的数学模型,得到了气源、控制阀与气缸结构参数对三通阀控缸静、动态特性的影响规律。研究发现,通过增大空气填充速率和减少空气需求,可以提高喷嘴挡板式三通气动阀控缸的响应速度,例如增大喷嘴挡板式气动三通阀的固定节流孔直径、减小活塞有效面积、提高供气压力等；理论分析结果与实践结果一致。     

集主承力结构与大容量储箱支架于一体的卫星主承力筒结构研究

针对现代卫星结构的大型化、燃料储箱的大型化,提出了一种集主承力结构与大容量储箱支架一体化的卫星主承力筒结构形式,旨在降低卫星质心、提高基频;在满足储箱容积的前提下,又能满足主结构有效载荷往运载的力的传递作用．有限元数值计算表明,该结构形式能够满足卫星相关结构性能的要求,可以作为今后卫星结构设计的参考构型．     

基于LCOS拼接技术的动态星模拟器设计

提出了以LCOS为核心器件的动态星模拟器设计方案, 采用光学拼接方法实现 了高精度的使用要求, 计算出星模拟器光学系统的焦距、单星张角等光学参 数, 详细介绍了两片LCOS光学拼接的原理和方案, 给出了动态星图的实现方 法, 并对其误差进行了分析. 结果表明, 所设计的动态星模拟器视场 为10.2°× 10.2°, 模拟星等为2～6.5等, 单星 张角优于20", 星对角距误差优于22", 满足星模拟器大视场、高动态 性、高精度、刷新频率快等需求.      

“高分四号”卫星相机在轨温度分析及热设计优化

随着空间相机分辨率日益提升，对光机主体等核心部组件的温度稳定性和均匀性要求也越来越高，地球静止轨道（GEO）空间外热流复杂且恶劣，实现相机高精度热设计挑战极大。针对"高分四号"卫星相机热设计的难点和特点，基于结构热控一体化的设计理念，采取了入光口热流屏蔽、间接辐射控温、散热面耦合等热控技术，实现了相机高精度控温；分析了相机入轨4年的温度数据及符合情况，验证了相机热设计的正确性，并根据在轨运行情况提出了热设计优化建议，为进一步提升地球静止轨道相机控温精度、降低热控资源提供支撑。      

数字闭环光纤陀螺振动误差分析

光纤陀螺的振动误差直接影响其使用精度.为解决振动问题,分析了陀螺振动特性的主要误差源.推导了闭环光纤陀螺光功率和输出关系的表达式,得出了光纤缺陷以及光纤、器件尾纤受振动产生寄生应力导致传输光偏振性能和光强变化是引起振动误差的根本原因的结论;对陀螺振动性能受结构谐振的影响进行了有限元分析和试验验证;提出了改善光纤陀螺振动性能的具体措施,包括光纤环及尾纤固化工艺、优化结构设计以及改进闭环控制.结果表明,经改进后的陀螺,振动条件下其动态精度接近静态指标,满足使用要求.      

基于畸变影响的动态星模拟器星点位置修正方法

介绍了动态星模拟器工作原理及星点位置误差计算方法,提出一种基于星模拟器自身光学系统畸变影响的星点位置修正方法,根据星点位置修正原理,建立修正模型并推导出相应公式. 通过对动态星模拟器光学系统进行分析,在畸变曲线基础上利用Matlab拟合得出光学系统视场与星点位置修正量的关系曲线,通过确定星点位置修正临界视场并选取适当修正范围,根据公式对星点位置进行修正以满足星模拟器的设计指标,利用该修正方法能够有效降低对动态星模拟器光学系统畸变设计的要求,为动态星模拟器误差修正提供有效方法.      

微振动成像检测光学验证系统研究

针对高分辨率空间相机的系统特性,选用平行光管系统作为光学系统,模拟来自无穷远的特征目标.运用LIGHTTOOLS软件对光路进行模拟,确定较优的光学结构.主要通过4种试验进行研究,即相机激振抖动试验,靶标运动模拟光轴抖动试验,波前畸变测量试验,离焦测量试验.通过离线图像复原对空间相机的光学误差进行分析及补偿.试验结果表明,在未给相机施加激振的情况下,经过平行光管系统输出,相机成像出的40LP·mm-1（LP表示线对）及20LP·mm-1清晰,满足微振动成像检测试验要求.在微振动成像检测试验中,波前像差达到0.21λ（RMS<λ/4）,1.28λ（PV）以及0.23λ（RMS<λ/4）,1.34λ（PV）时,该平行光管系统成像均可满足复原软件处理需求,可以有效应用于微振动成像检测系统并具有验证微振动成像检测试验的能力.