大口径反射镜结构参数优化设计

空间光学遥感器分辨率要求的不断提高使其主镜口径也在不断增大,从而对主镜进行轻量化设计就成为空间大口径反射镜工程的关键技术。该文介绍了一种对反射镜轻量化结构进行优化设计的方法,利用MSCPatran软件建立了蜂窝夹芯反射镜的参数化模型;对反射镜的各结构参数进行了灵敏性分析,得到了各参数对反射镜面形精度的影响曲线;根据反射镜的加工工艺,合理地确定结构参数的变化范围,利用正交分解法进行参数优化。     

空间用反应烧结碳化硅反射镜坯体制备技术研究

采用凝胶注模(gel-casting)成型工艺并结合一种先进的消失模技术, 制备了具有各种不同轻量化结构形式的碳化硅(SiC)陶瓷素坯, 目前制备的背部半封闭素坯最大尺寸为1080 mm×820 mm; 素坯经过脱模、干燥、脱脂和反应烧结等, 可得到空间用SiC反射镜坯体. 对反应烧结碳化硅(RB-SiC)反射镜坯体的表面进行了光学加工, 并且测试了其各项性能. 结果表明, 所制备的RB-SiC陶瓷内部结构均匀致密; 力学性能和热学性能优异, 弹性模量、抗弯强度、断裂韧性和热膨胀系数分别达到了330 GPa, 340 MPa, 4.0 MPa•m1/2和2.6×10-6 K-1; 镜体经抛光后的表面粗糙度RMS值优于3 nm, 可作为空间用反射镜的候选材料.      

遥感器球面反射镜蜂窝孔轻量化优化设计

针对遥感器球面反射镜背部蜂窝打孔减重结构,编制单元划分、节点生成程序,使之自动建立有限元模型文件;应用结构分析软件对该结构进行自重载况下的静力计算,变动各有关结构参数,得出一系列镜面最大变形值;处理这些数据,拟合曲线,进而导出该结构轻量化最优解的经验公式。     

空间详查相机摇摆头反射镜轻量化分析研究

对空间详查相机摇摆头扫描式反射镜镜体多种轻量化方案(各种斜切角、减重掏孔位置、孔径变化、加肋厚度变化的组合情况),建立有限元数学模型;并分别对其进行了自重情况下的刚度分析计算,得到其位移场分布和变化;最后确定在其满足力学、光学性能和加工工艺前提下结构质量最轻的综合最优方案。     

交会对接光学成像敏感器反射镜组件微应力装配技术

为了实现交会对接光学成像敏感器的功能、性能,其金属反射镜组件对面形精度和指向精度要求较高.金属反射镜组件在加工和装配过程中会产生装配应力,导致反射镜的面形和指向精度发生变化.在改进装调流程的基础上,首先通过仿真分析确定了反射镜安装螺钉的拧紧力矩;其次,优化了反射镜支架和反射镜安装面的平面度公差,从0. 008 mm提高到0. 002 mm;选用柔性材料制作过定位尺寸链的零件,对比了改进前后的反射镜指向变化和装配应力,改进后大幅减小,保证了反射镜精度指标要求.反射镜组件在装配到整机后面形和指向精度变化较小,反射镜面形达到PV≤0. 2λ,RMS≤0. 06λ(原方法数据PV≤0. 8λ,RMS≤0. 13λ),反射镜力学和热学环境实验前后反射镜指向变化由≤2',提高到≤1',保证了敏感器的测量精度.     

交会对接光学成像敏感器反射镜组件微应力装配技术#br#

为了实现交会对接光学成像敏感器的功能、性能，其金属反射镜组件对面形精度和指向精度要求较高.金属反射镜组件在加工和装配过程中会产生装配应力，导致反射镜的面形和指向精度发生变化.在改进装调流程的基础上，首先通过仿真分析确定了反射镜安装螺钉的拧紧力矩；其次，优化了反射镜支架和反射镜安装面的平面度公差，从0.008 mm提高到0.002 mm；选用柔性材料制作过定位尺寸链的零件，对比了改进前后的反射镜指向变化和装配应力，改进后大幅减小，保证了反射镜精度指标要求.反射镜组件在装配到整机后面形和指向精度变化较小，反射镜面形达到PV≤0.2λ，RMS≤0.06λ(原方法数据PV≤0.8λ，RMS≤0.13λ)，反射镜力学和热学环境实验前后反射镜指向变化由≤2′，提高到≤1′，保证了敏感器的测量精度.     

带有频率输出的线性电容位移传感器

本文介绍一种测量光学谐振腔的反射镜间距变化的简单而又具有理想线性特性的方法。由金属反射镀层构成的电容器作为反馈环的一部分,使得振荡频率与反射镜间距成正比。在反射镜间距达0.5mm 时,满度线性度仍为0.2%,分辨率为10nm。     

扫描辐射计内光路反射镜中SiO2／Ag薄膜系统的失效分析

SiO_2/Ag薄膜系统是扫描辐射计内光路反射镜的主要组成部分。采用高分辨扫描俄歇微探针(SAM)和扫描电镜分析对SiO_2/Ag 薄膜系统失效进行了较为全面的分析研究。通过扫描电镜观察发现,失效的反射镜表面SiO_2薄膜上存在大量析出物,借助于SAM分析,表明这些析出物主要是银和铜,析出物表面伴随有硫化和氧化。SAM的深度剖面结果说明,有析出物存在的区域,各薄膜层中存在原子间的扩散。文章就反射镜中Ag、Cu、和O的扩散和穿透行为进行了讨论,认为SiO_2薄膜致密度较差是导致反射镜失效的主要原因之一。     

静电拉伸空间薄膜反射镜面形控制机理研究

薄膜反射镜将解决反射镜孔径与重量相互制约的问题. 采用静电拉伸法控制薄膜反射镜面形, 具有结构简单、反射镜面形易于控制等优点, 其原理为利用静电场上库仑力作用使薄膜产生面形变化, 生成所需的光学曲面. 由于薄膜变形力学, 以及静电场理论的复杂性, 目前薄膜成形及其面形控制在理论分析上仍未有定量的结果. 本文主要以单电极静电场中的薄膜反射镜面形为考察因素, 通过数值计算的方法得到薄膜反射镜上的静电力分布, 运用有限元分析获得该分布下的反射镜面形, 并将其与理想面形进行比较. 提出采用多电极闭环控制可获得更高的控制精度, 对静电拉伸薄膜的研究具有一定的指导意义.      

中继反射镜能量特性研究

介绍了地基激光加天基中继反射镜体系的系统组成及基本工作原理, 重点对中继反射镜的能量特性进行了分析, 得出了作用距离与中继镜口径和目标辐照度的关系, 并给出了计算的实例. 其结果进一步说明了中继镜原理上的可行性, 提出了中继反射镜技术发展应该重点考虑的关键技术. 研究结果对于实际中继反射镜系统的设计有一定的参考意义.      

海上夜间飞行的实时仿真

自然场景仿真是虚拟现实技术的重要部分,夜间海上飞行时,星空、月亮以及海面的倒影是独具特色的自然场景.为营造沉浸感强的夜海飞行虚拟现实系统,用粒子系统实现了星空的模拟,将星体动态闪烁现象演化为粒子生命的概念,并按照主导算法加扰动的思想实现星空随机性模拟;用特殊纹理融合算法模拟月亮及星月在海面的镜像,特殊纹理经过制作、着色和融合3个过程,并根据夜空景像在海面倒影的亮度衰减规律确定融合因子,将纹理和背景按照融合因子进行深度融合;最终实现了较逼真的夜海飞行虚拟现实系统.      

星载辐射计扫描镜太阳辐射热-结构建模与仿真

三轴稳定卫星平台搭载的光学有效载荷都存在午夜太阳辐射干扰问题,由此产生的热变形效应对光学系统的成像品质影响显著。采用复杂外热流近似建模技术,以及多软件耦合有限元仿真方法,以FY-4卫星的扫描辐射计为应用背景,研究了昼夜太阳辐射对星载辐射计扫描镜产生的热效应,并对不同热设计条件下的工况进行了对比分析。分析结果显示：扫描镜侧面及背面的热控涂层选取对其热变形有重要影响,但是仅仅通过热设计解决温度波动和热变形的矛盾是不够的,需要通过改进扫描镜的材料和优化光机结构加以改善。     

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.      

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.      

飞行训练模拟器广角无限显示系统设计

飞行训练模拟器广角无限显示系统是飞行训练模拟器的重要组成部分,其设计质量直接影响到飞行模拟器的性能.而广角无限显示系统中准直镜和背投屏的面形是决定广角无限显示系统成像质量的关键因素,因此,准直镜和背投屏的设计成为研制广角无限显示系统的关键.针对设计适用于双座飞机飞行模拟的广角无限显示系统的技术要求,讨论了零视场消像散条件,选取可保证零视场像散为零的镯形面作为准直反射镜的面形,确定了准直镜的尺寸;以弥散斑最小为原则,通过反向光线追迹得到了背投屏的面形和位置,最后进行了准直精度计算.设计的广角无限显示系统可达到水平视场180°,垂直视场45°,已用于飞行训练.      

Sensitivity analysis of test methods for aspheric off-axis mirrors

Following the Hubble Space Telescope (HST), the next generation James Webb Space Telescope (JWST) is being developed to be launched in a few years. JWST will be a segmented mirror telescope with a design much like that developed for ground-based telescopes over the past 20 years. Several segmented mirror telescopes are currently in operation, and next generation ground-based telescopes of the 30-m class are also being designed using segmented primary mirrors. Regardless of size, segmented primary mirror telescopes often require the use of aspheric segment mirrors. One of the key factors in fabrication of aspheric segment mirrors is feasibility of testing off-axis surfaces with high accuracy. A couple of test methods have been investigated for aspheric off-axis segments. As a case study, we apply these test methods to secondary segmented mirror models of the Giant Magellan Telescope. We derive required dimensions of test set-ups and assess sensitivity of optical alignment. Characteristics of the test methods are also discussed.     

Design and construction of the ROSAT 5 arcsec mirror assembly

The ROSAT mission, which is currently being prepared in W.-Germany, will perform the first soft X-ray all-sky survey by means of a large imaging X-ray telescope. Detailed calculations under the cost, volume and mass constraint of the satellite being a Shuttle payload have led to a design of the imaging optics with optimized geometry. The mirror system is of the Wolter type I configuration and includes four nested shells with a maximum aperture of 835 mm and a focal length of 2400 mm. The on-axis angular resolution of the mirror assembly has been specified to 5 arcsec with a scattering level as low as 3% for single reflection at 1.5 keV photon energy. Construction and technology studies have been completed by now and manufacturing of the first mirror shell has begun.     

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。     

空间相机桁架支撑结构满应力优化设计与试验

针对空间相机桁架式支撑结构在设计过程中难以同时保证重量轻且刚度高的问题, 提出了采用满应力方法对桁架杆截面进行优化设计的思想. 以桁架杆重量最低为优化目标, 桁架杆自重变形和桁架的一阶固有频率为约束条件, 桁架杆截面的内外径为优化变量, 建立了基于满应力准则的优化模型. 经过优化, 桁架杆截面的外径为50mm, 内径40mm, 质量6.1kg, 一阶固有频率121Hz. 采用有限元法对优化结果进行模态校核和重力变形校核, 同时为检验碳纤维复合材料的热稳定性, 对桁架组件进行了热变形分析, 得到次镜的偏心和偏转均满足光学设计要求. 对优化设计出的桁架组件进行了0.2g扫频试验以及尺寸稳定性试验. 试验结果表明, 桁架组件一阶固有频率119Hz 与理论分析结果基本吻合; 在45N外力载荷和15°C均匀温升载荷的作用下, 桁架稳定性能良好, 次镜的偏心和偏转均小于5", 满足光学设计要求. 优化设计出的桁架支撑结构具有刚度高、尺寸稳定等特点, 这为实现空间相机向大口径、长焦距、轻型化方向发展奠定了研究基础.