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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

大口径双拱型SiC反射镜背部构型初步研究

反射镜厚度、面板厚度及背部筋板宽度是影响反射镜自重变形的3个主要参数。文章利用有限元软件建立大口径双拱型SiC反射镜模型,分析了三者对自重变形的影响,得到反射镜厚度对面形影响最大,面板厚度次之,背部筋板宽度影响最小的结论。并根据分析结果建立了轻量化程度高、镜面自重变形小的双拱型反射镜模型。     

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。     

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。     

辐射计反射面天线面形精度对其主波束效率影响研究

以FY-3卫星微波成像仪天线为模型,对反射面天线面形精度对天线主波束效率的影响进行了分析。提出基于数值拟合法的公式,用GRASP软件半物理仿真结果,修正Ruze公式关于面形精度影响因子的表达式,实现了工程中天线主波束效率快速估算。该方法减小了Ruze公式中由于假设口径场等幅同相分布引起的计算误差,采用该方法后计算精度可控制在1%以内。最后针对多馈源共用反射面的辐射计天线提出了分区域分析面形精度的方法。     

激光陀螺稳频反射镜的选择

讨论了球面及平面两种稳频反射镜的加工误差对陀螺腔内光路的偏移作用， 分析了腔内光路随这两种反射镜在稳频平移过程中的变化规律以及光路不对称变形对陀螺朗缪尔零漂的影响。分析结果表明： 无论从稳频反射镜存在加工误差考虑， 还是从稳频平移对陀螺性能影响的考虑， 选择球面镜作稳频反射镜要优于平面镜。     

关于薄膜反射镜成形机理的研究

聚酰亚胺薄膜反射镜是近几年发展起来的新概念。以Karman方程为基础讨论了薄膜反射镜的成型原理，分析了外载荷对薄膜反射镜面型的影响；给出了非线性耦合Karman方程的求解方法；以一种聚酰亚胺圆薄膜为例，用有限元法对Karman方程进行了数值求解，用zemike多项式拟合方法得到了圆薄膜在外载荷作用下的近似解析解，证明了把Karman方程解析解表示为多项式的合理性；用有限元法得到的不同外载荷作用下的薄膜的变形分析证明了通过控制外载荷的加载方式和载荷强度可以控制薄膜反射镜的面形，改善反射镜像差。     

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。     

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。     

三角形激光陀螺谐振腔的精度分析

利用几何光学建立了三角形激光陀螺谐振腔反射镜微动引起腔内环形光路的变化方程，通过对光路偏移量的分离，导出由谐振腔加工误差造成的且经过调腔后的剩余偏移量，最后通过光路的剩余偏移量对激光陀螺性能影响的分析，计算出三角形激光陀螺谐振腔加工精度要求并对其特点进行了总结。     

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。     

关于薄膜反射镜成形机理的研究

聚酰亚胺薄膜反射镜是近几年发展起来的新概念.以Karman方程为基础讨论了薄膜反射镜的成型原理,分析了外载荷对薄膜反射镜面型的影响;给出了非线性耦合Karman方程的求解方法;以一种聚酰亚胺圆薄膜为例,用有限元法对Karman方程进行了数值求解,用zemike多项式拟合方法得到了圆薄膜在外载荷作用下的近似解析解,证明了把Karman方程解析解表示为多项式的合理性;用有限元法得到的不同外载荷作用下的薄膜的变形分析证明了通过控制外载荷的加载方式和载荷强度可以控制薄膜反射镜的面形,改善反射镜像差.     

ULE?叠层反射镜二维等效建模方法研究

ULE~?叠层反射镜是实现大口径、低面密度、高刚度空间反射镜的有效途径。为提高ULE~?叠层反射镜设计效率,文章基于蜂窝夹芯结构均质板等效理论,推导了叠层反射镜二维等效模型建模方法,利用有限元法计算二维等效模型自由模态频率,对比详细模型计算结果,验证等效模型计算精度,并结合设计实例验证该二维等效模型在叠层反射镜优化设计中的有效性。分析结果表明,叠层反射镜面密度大于40kg/m~2时,二维等效模型模态频率计算误差优于4%,满足优化设计精度要求。文章提出的叠层反射镜二维等效建模方法大幅缩减叠层反射镜有限元模型规模,实现叠层反射镜有限元模型高度参数化,有效提高了叠层反射镜设计效率。     

超光谱仪光栅面形对光谱性能影响的仿真分析

鉴于普通光学镜面分析技术研究光栅面形对超光谱仪光谱性能的影响具有精确度低且过程复杂的劣势,文章提出了一种用于分析光栅面形的全链路仿真分析方法。该方法综合考虑衍射和像差信息,利用有限元建立超光谱探测仪光栅结构变形模型,采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具,对光栅面形数据进行处理,得到光栅面形拟合结果,通过光学软件Zemax计算得到光栅面形对光谱畸变和光谱分辨率的影响。仿真分析结果表明,光栅面形的变化对系统的光谱畸变(如光谱弯曲和色畸变)影响较小,基本控制在1/5个像元内;对系统的光谱分辨率影响较大,当光栅面形导致其刻线位置发生较大误差时,对光谱分辨率有明显影响。     

空间温度场对平面反射镜面形影响研究

基于传热学基本理论,给出了潜望式激光通信终端二维转台在轨运行过程中的传 热控制方程,分析了二维转台的温度场分布,得出了不同材料反射镜在轨运行过程中温度场 随时间变化规律和升交点时刻的热形变分布。分析过程中二维转台外表面采取氧化处理,没 有采用其他温控措施,分析结果表明,对于四种不同材料反射镜,激光通信终端在轨运行一 个轨道周期的时间内,SiC材料温度波动范围最小,并且温度不均匀性也最小,因此SiC材料 是潜望式激光通信终端反射镜的可选材料。对于SiC反射镜,升交点时刻俯仰轴反射镜的温 度不均匀性最大,达到0.93℃。反射镜采用椭圆周上六点螺钉固定的方式时, 俯仰轴反射镜面形RMS值达到2.25μm,这将对光束指向产生影响,进而影响系统性能。 本文的研究内容对潜望式激光通信终端反射镜材料选择和温控措施的采取有一定参考价值。