轻型球面反射镜面形检测支撑设计仿真分析

文章针对轻量化程度较高的SiC空间反射镜,探讨了其在重力环境下反射镜面形检测所需要的卸载支撑方法。为了使重力对反射镜面形精度的影响降低到可接受范围内,在光轴竖直时,将支撑结构对反射镜的作用简化为卸载力,优化力的数量、位置及大小,使反射镜面形精度达到近似零重力情形,并分析了反射镜水平倾斜0.5°、1°时,反射镜面形对位置误差的敏感程度;光轴水平时,在对反射镜设计支撑结构的同时,加入3点、6点辅助卸载力来降低残余重力影响,使反射镜面形接近无重力情形。通过Patran/Nastran软件建立反射镜模型并进行仿真计算,输出反射面各结点坐标值及变化量,用Matlab程序计算出反射镜面形精度,结果表明优化后的设计结果满足指标要求。     

四点球头反射镜支撑设计与分析

反射镜的支撑一直都是空间遥感相机的关键技术之一。为了能够获得较高的反射镜面形精度,文章针对离轴三反空间遥感相机,提出了一种四点球头反射镜的支撑方式。首先,在反射镜结构设计的基础上,介绍了四点球头反射镜支撑方式的原理以及支撑结构的组成;之后,对整个反射镜支撑结构中最重要的球头和支杆部分进行了详细设计;最后,使用Patran进行有限元模型前处理,使用Nastran求解,对反射镜组件的结构模态和各个工况下的反射镜面形精度进行仿真分析,得到的反射镜面形精度为1.6425nm,优于光学系统的指标要求。结果表明使用四点球头支撑方式的反射镜组件在保持较高刚度的基础上,能够获得较高的面形精度,证明了这种适用于长条型反射镜的支撑方式合理可行。     

大长细比反射镜侧面支撑结构设计与分析

随着近几年离轴三反(Three-Mirror Anastigmat,TMA)相机在大视场高分辨率成像领域的应用,大长细比反射镜的支撑技术成为离轴TMA相机研制的关键技术之一。文章研究的反射镜尺寸达到986mm×246mm,为了使大长细比反射镜的支撑结构同时满足高刚度和高面形稳定的要求,采用理论研究和有限元分析相结合的方法设计了一种侧面柔性支撑结构。分析结果表明,反射镜组件一阶频率达到114.9Hz,在重力和2℃温变耦合下综合面形变化均方根值只有4.9nm,工艺件的力学振动试验结果和仿真分析基本吻合,反射镜支撑结构设计合理,满足空间应用要求。     

垂直装调用大口径自准直反射镜系统研究

大口径、长焦距光学遥感器垂直装调过程中需要采用反射镜自准直方法测试光学系统的波前像差。文章研究了一种自准直反射镜系统,该光学系统中反射镜具备多维调整功能,利用自准直方法,可用于大口径相机的垂直装调。该自准直反射镜系统利用伺服电机驱动,实现反射镜的多自由度运动。反射镜利用一种六足杆结构实现静定支撑设计,并设计了一种随动重力卸载装置,使得镜面面形均方根误差小于1/100波长,满足使用要求。     

650 mm口径主反射镜组件结构设计

为提高遥感相机主反射镜的在轨面形和结构稳定度,文章对φ650 mm主反射镜组件进行了特殊结构设计,采用传统的装框式支撑结构,通过设计使胶斑切向受力,以有效解决镜子和支撑结构材料热失调问题。力学和热特性计算表明:主反射镜面形在y向(地面装调方向)1g重力作用下的峰谷值(PV)变化为2.30 nm,均方根值(RMS)变化为0.42 nm,镜子顶点位置变化为0.8μm,光轴变化为0.01″;在相机温控指标(20±2)℃环境下,反射镜的PV变化为3.02 nm,RMS变化为0.56 nm;主反射镜的计算仿真基频为164.3 Hz。主反射镜组件振动试验结果显示组件的实际基频为158.0 Hz,与仿真计算结果基本一致。经过振动和真空放气试验,组件的结构接口稳定性均为平移不大于3μm,角度变化不大于3″。以上全部满足设计指标要求。     

大口径光学组件重力翻转测试方法验证及应用

空间光学遥感器的光学组件在地面检测时,最终检测结果受重力变形、结构变形、装配应力、加工残差等多重因素影响。考虑到重力影响在轨后会自动消失,因此在地面装调过程中,需要将重力变形误差与结构变形和装配应力的影响严格区分,有效提高装配精度,降低装配难度。针对采用Bipod光机结构设计的光学组件,利用其力学边界条件简单的特点,通过有限元分析可以获得较为准确的分析结果,重力影响的光学面形误差可以通过翻转测试的数据叠加有效去除。文章将光学组件分别在光轴竖直向上和光轴竖直向下的条件下进行测试,通过将两次测试结果图像叠加,有效去除重力变形影响,实现了和装配应力的有效分离。     

大口径反射镜组件发射段环境的防振设计

主反射镜组件力学性能是相机结构设计的重点。文章介绍了反射镜组件的基本构型,分析了采用Bipod支撑结构的反射镜组件振动抑制的必要性。基于阻尼受迫振动模型微分方程,分析了频率比、阻尼比对随机振动传递率的影响,根据分析结果选择增大阻尼比作为反射镜组件振动抑制方案。对某1.8m口径反射镜组件进行了抑振设计,利用MSC Nastran软件进行了动力学分析,仿真结果显示,抑振后反射镜动力学响应值及振动应力有较大降低,证明抑振设计有效。文章设计的振动抑制解决方案也可为空间遥感器其他部组件的振动抑制设计提供借鉴。     

基于空间反射镜的点阵结构非均匀尺寸优化设计

针对空间反射镜的高轻量化率的工作条件和工作需求,将点阵结构引入到反射镜结构设计,并基于移动阈值切面法(MIST)优化设计了非均匀点阵结构。文章以小口径190mm铝合金反射镜作为研究对象,基于MIST法将点阵杆件进行了非均匀尺寸优化。首先选择点阵单胞,对于实体设计空间进行点阵单胞的填充,实现空间反射镜的均匀点阵设计;然后基于MIST法对于均匀点阵结构进行尺寸优化,将杆件横截面积作为优化对象,得到了轻量化方案。由于反射镜的安装应力会影响面形精度,所以分析了安装应力对于反射镜的面形影响。该方法验证了优化后使用非均匀点阵尺寸优化的反射镜的轻量化率以及面形精度要求均优于传统轻量化形式反射镜,满足设计要求。     

考虑螺钉预紧力的反射镜安装结构仿真及优化

为考察某空间相机次镜背后安装螺钉预紧对反射镜面形影响,研究了反射镜在不同螺钉预紧力和重力作用下面形变化的规律,使用接触非线性有限元方法对反射镜组件进行了仿真,采用基于Zernike多项式的数据处理算法对面形数据进行了处理,得到了消除刚体位移后的面形变化规律,并对改变螺钉直径和改变连接螺钉结构形式两种优化路径分别进行了仿真。结果表明,拧紧力矩对面形的影响明显,沿径向的重力对面形的影响随预紧力矩的增大而减少,改变螺钉连接环节的结构形式对面形的影响大于改变螺钉直径。根据仿真结果对螺钉连接环节的结构进行了修改,试验测试证明改变螺钉连接环节的结构形式对于改善反射镜面形作用明显,可应用到类似反射镜结构连接的设计中。     

粘弹性约束阻尼在空间大口径反射镜上的应用研究

针对空间三点两脚架(Bipod)支撑大口径反射镜组件在发射阶段振动响应过大,容易导致结构强度破坏的问题,文章研究了利用粘弹性约束阻尼技术对其进行减振设计的方法。约束阻尼技术能够在不改变原有结构构型的前提下,有效降低结构的共振响应。首先,建立了反射镜组件的有限元模型,分析了反射镜组件模态应变能分布规律,确定了Bipod支撑结构的柔性环节为约束阻尼的铺敷位置。然后,通过有限元法分析比较了不同约束层材料以及约束层和阻尼层厚度对结构减振效果的影响,为粘弹性约束阻尼减振技术在大口径反射镜组件上的实际应用提供了参考。     

工艺误差对遥感器反射镜精度影响的分析

分析了工艺误差对空间遥感器反射镜面形精度造成影响的原因，并结合CAE（工程分析）技术，求解强行装配后产生的应力表达式，建立反射镜有限元模型，计算面形精度。通过分析可知，工艺误差对光学系统有一定影响，设计时应尽量满足光学精度要求。     

随机振动引起空间反射镜面形退化的机理研究

为了确保遥感器能够承受发射过程中的力学环境,需要在地面对遥感器及其部组件进行充分的振动试验,随机振动试验是主要的试验方法之一。对于反射镜组件,除了需要关注常规的刚度和强度特性,还需要重点关注试验前后的面形变化。在多个型号的研制过程中,均出现过随机振动试验后反射镜组件面形发生退化的现象。因此,亟需研究随机振动试验引起的反射镜面形退化机理。文章通过对反射镜安装界面进行受力分析,研究了随机振动等效准静态加速度、连接刚度、预紧力以及摩擦力之间的关系。通过仿真分析发现横向残余应力是导致面形退化的主要因素,并给出了残余应力的估算公式。最后,结合某空间相机主镜组件的随机振动试验,验证了横向残余应力引起反射镜面形退化的机理。分析和试验结果表明,当达到产生横向残余应力的条件时,反射镜面形开始退化,横向残余应力越大,反射镜面形退化越严重。     

空间遥感器大口径反射镜支撑结构型式综述

文章针对空间遥感器大口径反射镜(口径大于500mm)总结了影响支撑结构设计的主要因素,介绍了几种主要的支撑结构型式,并讨论了支撑结构设计中所需要考虑的若干问题。     

主动调节刚性支撑薄膜型反射镜制造

空间光学的发展对光学系统的轻量化提出越来越高的要求,解决光学系统轻量化这一问题将为整个航天发射计划节约大量资金。主动调节刚性支撑薄膜型反射镜是由美国率先提出并制造的口径530mm、厚2.1mm的薄膜型反射镜,反射镜的面形通过均匀分布的促动器的微量移动来调整,镜子的全部重量(包括促动器和支撑框架)为4.73kg。薄膜型反射镜的加工工艺及面形的调整是本文探讨的主要内容,实验表明,薄膜型反射镜面形最终的调整结果取决于薄膜镜基础面形的加工程度,而薄膜镜的制造不同于较厚镜面的加工,需要进行大量的工作进行摸索。     

大口径超轻型反射镜定位和支撑方案研究

地球静止轨道光学遥感器的发展以及遥感器分辨率的不断提高,使得光学遥感器的口径越来越大,大口径反射镜正在成为制约遥感器性能、质量和研制成本的关键因素。本文主要围绕2m口径的超轻型反射镜开展研究,分析了定位和支撑系统的主要功能,提出了适合大口径、超轻型反射镜的定位和支撑系统方案,分析了该方案的基本原理和实现形式。     

空间对接机构差动式缓冲阻尼系统运动学仿真

着重分析空间对接机构差动式缓冲阻尼及传动系统主要组件： 丝杠差动组合、齿轮差动组合的机构运动学原理。在此基础上建立系统的运动学模型， 利用捕获环伸出过程和缓冲阻尼过程系统运动学仿真验证了系统模型。     

空间反射镜组件Bipod柔性元件卸载能力分析

由于准静定特性以及对温度和制造装配误差的良好卸载能力,Bipod类型的柔性元件在空间遥感器特别是空间反射镜支撑结构上发挥着重要作用。主反射镜的性能在光机系统设计中占据着重要地位。文章在前期工作基础上对Bipod的分类方法进行了改进,引入相对刚度比和相对位移比的概念来描述反射镜Bipod柔性元件的卸载能力,并通过实例分析证明,随着相对刚度比的降低,Bipod柔性元件的卸载能力得到进一步增强,反射镜的面形精度也得到显著改善。相对刚度比参数的引入为设计者选择合适的柔性元件提供了参考。     

组合口径反射镜曲率半径误差分析

研制大口径望远镜系统,通常采用组合口径反射镜来代替单体反射镜。组合口径反射镜的方案相比于传统方案减小了加工、运输等各方面的困难,同时它也会引入分块镜的曲率半径误差。为更好地了解组合口径反射镜曲率半径误差对光学性能的影响,文章以整体口径为6.6m、曲率半径为21.34m的由18块六边形分块镜拼接而成的反射镜为例,对组合口径反射镜曲率半径误差进行分析。首先建立组合口径反射镜模型,通过计算求得反射镜的波像差与斯特列尔比,最终确定反射镜曲率半径误差的合理变化范围。结果表明,曲率半径误差对不同位置分块镜的波像差影响不同,去除位置因素后,各分块镜对反射镜波像差的影响相同。文章所设计的反射镜,如果各分块镜之间的曲率半径误差应小于±0.14mm,则满足斯特列尔比大于0.8且最大波像差小于λ/4。文章对组合口径反射镜的设计、加工和装调等有参考价值。     

高次非球面镜面低温面形拟合方法研究

高次非球面在空间红外低温光学中应用广泛,传统的球面拟合方法不适用于高次非球面低温面形拟合,而Zernike多项式拟合法因涉及像差理论拟合过程复杂在结构设计人员中应用较少。针对上述情况,文章提出了一种能够快速拟合低温高次非球面镜面面形的方法。首先,基于高次非球面展开式可以精确表达成偶次多项式建立了偶次多项式拟合方程,直接拟合低温非球面面形;非球面裸镜低温自由变形算例验证表明,文章提出的方法能够很好地拟合高次非球面低温面形,拟合残差达到9.15×10~(–5)λ(λ=0.6328μm)。将该方法应用到低温透镜支撑结构设计中进行面形拟合,结果显示低温变形引起的面形误差由采用柔性支撑结构之前的0.0217λ下降到0.0018λ,进一步支撑了提出的算法的有效性。     

一种浮动锁销式柔性气浮组件的承载特性测试及分析

为在空间机构产品集成与测试中合理使用气浮组件,采用刚度试验台模拟加载的方案对一种浮动锁销式柔性气浮组件的承载特性进行测试。试验结果表明:浮动锁销式柔性气浮组件在未预压缩状态下,承载特性近似为线性弹簧压缩模型;在预压缩状态下,初始承载特性近似为刚体,承载力超过气浮组件的保持力后承载特性近似为线性弹簧压缩模型。因此,为避免气浮组件在承载过程中表现出的作用力与位移变化等特性对空间机构产品的运动特性、系统性能造成显著的附加影响,气浮组件在使用前应根据产品重力调节弹簧预压缩量,并严格控制4组可调弹簧支撑组件的制造误差;同时,在产品重力完全被卸载之前需要借助压紧释放机构或刚性支撑工装对产品进行约束。