多点平衡支撑在空间大口径反射镜上的应用

空间反射镜口径的增大使得支撑结构同时兼顾地面重力面形与在轨工作面形的难度增大。多点平衡(Whiffle-tree)支撑系统在满足运动学原理的条件下能够任意增加支撑点数量,已广泛应用于大型地面望远镜。文章以某3m口径空间反射镜为对象进行了Whiffle-tree支撑的设计分析:首先,利用经典理论公式确定了支撑点数量,结合反射镜结构设计对支撑点位置进行了比较优化;然后基于运动学原理进行了Whiffle-tree支撑系统的自由度分配,保证反射镜的静定支撑;最后,根据反射镜组件的指标分配完成了支撑系统的结构设计和有限元分析。分析结果表明,反射镜组件在地面重力作用下的面形误差优于126nm,在温度变化、强迫位移等工况作用下的面形误差均满足指标要求,Whiffle-tree支撑系统的应用合理有效。     

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。     

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。     

地球静止轨道遥感相机一体化设计

文章针对地球静止轨道遥感器设计需求,运用光机热集成设计的方法对相机进行了一体化设计。通过复合支撑方法实现了大口径Si C主镜的高稳定性支撑,保证了反射镜面形的稳定性;相机主体结构在兼顾双通道集成支撑与装调基础上,通过优化设计,保证了相机结构的高刚度、高稳定性;相机的隔振系统针对卫星基频进行了解耦设计,保证相机镜头的安全性;相机遮光罩通过结构及热控一体化设计,有效降低了热控功耗;相机整机力学试验及真空热试验的MTF测试结果表明,相机主体具有较高的稳定性。     

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。     

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。     

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。     

多光谱相机高稳定性光机结构设计技术

文章针对测绘应用对多光谱相机设计的技术要求,从影响相机内方位元素和在轨成像品质因素出发,结合三反离轴相机的特点,重点分析多光谱相机高稳定性设计（力学和热）。多光谱相机主体反射镜通过选取零膨胀的微晶玻璃和殷钢材料,降低了反射镜的热敏感性,反射镜组件通过采用四点球铰无应力支撑技术实现了反射镜的静定支撑、消除掉了反射镜装配应力,保证了反射镜面型的稳定性。相机主体结构与卫星的连接采用柔性卸载结构设计,卸载了卫星结构由于热变形而导致的相机结构变化,保证了相机主体结构的在轨性能稳定性。通过对整个相机进行有限元分析和环境试验,有效地验证了设计的正确性,多光谱相机主体具有较好的结构稳定性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

空间光学遥感器反射镜组件中环氧胶的选用

Milbond、EC2216和SE-14-80三种环氧胶常用于空间光学遥感器光学件与金属结构件粘接。不同环氧胶对粘接后的反射镜面形差别较大,环氧胶的选择是反射镜组件研制过程中一个重要环节。胶的弹性模量、线胀系数、泊松比和固化收缩率等物理特性参数对粘接后面形影响较大。有些环氧胶的物理特性参数厂家提供不全,一些胶的性能参数测试困难,同时空间光学遥感器需要经历研制过程中各种环境条件考验,胶在经历不同环境条件下物理特性参数测试对比测试相对难度较大。文章针对空间光学遥感器在研制过程中环氧胶将经历的环境试验条件,设计一个考核Milbond、EC2216和SE-14-80三种环氧胶对面形影响的综合试验,通过固化前后面形的变化,以及热真空试验前后面形的变化的对比结果,优选确定了采用EC2216作为空间光学遥感器反射镜粘接用胶。     

空间红外遥感相机制冷机微振动对MTF影响分析

空间红外遥感相机内部活动部件微振动载荷会引起相机光学元件产生刚体位移和面形变化,从而影响相机的在轨光学成像品质。文章基于某空间红外遥感相机内部扰振源的测试结果,建立了适用于微振动分析的相机精细有限元模型,经分析计算,确定了基于Zernike多项式曲面拟合和调制传递函数(MTF)分析的方法和流程;最后结合某空间红外遥感相机进行MTF影响分析,结果显示制冷机微振动对该相机MTF影响在工程可接受的范围内。     

空间遥感相机挠性支撑扫描装置测角精度标定方法

针对空间遥感相机挠性支撑扫描系统的测角精度标定问题,利用高精度经纬仪测量扫描镜摆动过程中采集的角度误差数据,研究了适用于空间复杂环境的分段误差补偿方法。利用光电自准直仪对扫描镜的零位进行监测,以解决经纬仪随时间、环境引起的零位漂移。根据高轨应用需求,分析了分段误差补偿法的必要性。将获得角度误差引入补偿系统,采用分段误差补偿法对测角电路进行标定。将测试结果与谐波误差补偿法标定结果对比,验证了分段误差补偿后系统的测角精度能够满足系统性能指标要求。最终确定了分段误差补偿法在空间遥感相机有限角度扫描系统高测角精度实现过程中的有效性。     

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。     

空间相机用碳化硅(SiC)反射镜的研究

根据空间光学遥感器发展的要求 ,提出碳化硅 (SiC)反射镜的研究 ,论述空间相机采用SiC反射镜的原因 ,介绍国外SiC反射镜发展概述 ,提出发展SiC反射镜的研究目标和应用方向。     

大口径胶粘主镜装调的有限元分析

文章针对采用胶粘工艺的轻量化大口径主镜装调过程中涉及的几种典型受力状态进行了研究。首先,建立了包含胶层的主镜组件精确的有限元模型,并考虑了胶斑的径厚比较大时对其弹性模量参数的修正;其次,利用有限元法结合Zernike拟合程序分析了强迫位移、1gn自重、均匀温升、胶层收缩、主镜两点支撑检测状态下主镜面形的变化,其中采用温度载荷等效的方法对胶层收缩在Patran/Nastran环境下进行了模拟。结果表明主镜组件自重变形和热变形对面形影响较小,而强迫位移0.01mm、胶收缩1%产生的应力、以及主镜两点支撑检测时对主镜面形影响显著。此外,对主镜两点支撑状态进行了试验检测,其面形变化与分析结果吻合。     

基于iSIGHT集成平台的次镜支撑结构优化设计

空间遥感相机次镜支撑结构的稳定性对相机的成像品质具有很大的影响,对其进行分析和优化设计具有重要意义。通用的有限元分析方法无法对复杂结构自动进行多目标、多约束及多设计变量的优化设计。文章研究了以 iSIGHT 为集成平台的多目标优化设计方法及复杂结构的参数化有限元模型的建立方法,设计了次镜支撑结构的优化策略;通过分析得到了影响次镜支撑结构稳定性的各变量的灵敏度、设计空间及最优设计方案,结构性能大大提高。这种优化方法可以快速地找到最优方案,大大提高优化效率及产品的可靠性,可应用于其它次镜支撑结构设计乃至整个遥感器的设计中。