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大口径主镜反射膜生长热应力及重力仿真

激光技术 2024年第2期48卷 268-273页

作者：何世昆刘中伟王磊高泽运范红梅山东华宇航天空间技术有限公司烟台264001 山东航天电子技术研究所烟台264001

为了充分了解大口径主镜镀膜时热应力及自身重力的分布规律,达到控制反射镜面形变化、提高成膜质量的目的,采用有限元分析方法,对大口径主镜反射膜的生长热应力及重力对反射镜面形的影响进行了理论分析和研究。结果表明,大口径主镜反射... 详细信息

为了充分了解大口径主镜镀膜时热应力及自身重力的分布规律,达到控制反射镜面形变化、提高成膜质量的目的,采用有限元分析方法,对大口径主镜反射膜的生长热应力及重力对反射镜面形的影响进行了理论分析和研究。结果表明,大口径主镜反射膜更容易在靠近边缘位置处出现剥落和损坏情况;大口径主镜镀膜过程中,自身重力引起的反射镜面形变化对镀膜质量会产生较大影响,需要进行重力消除处理;3000 mm口径的主镜在采用镜面向上、向下蒸发膜料的方式镀膜时,需要对支撑方式进行优化设计。该研究为大口径反射镜镀膜时控制热应力及重力对反射镜面形的影响提供了参考。

关键词：薄膜大口径主镜热应力重力面形优化

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空间光学遥感器大口径主镜展开技术研究

空间光学遥感器大口径主镜展开技术研究

作者：陈小伟中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）

学位级别：硕士

随着人类对空间光学遥感器分辨率的要求越来越高，空间光学遥感器逐步向长焦距、大口径的方向发展。然而大口径的光学系统无论从反射镜材料的制造、光学加工还是支撑结构都难以实现，同时遥感器的体积和质量也将导致卫星发射极为困难。... 详细信息

随着人类对空间光学遥感器分辨率的要求越来越高，空间光学遥感器逐步向长焦距、大口径的方向发展。然而大口径的光学系统无论从反射镜材料的制造、光学加工还是支撑结构都难以实现，同时遥感器的体积和质量也将导致卫星发射极为困难。可展开光学系统则解决了大口径光学遥感器研制和发射的难题。空间可展开光学系统的主要特点是主镜由一些较小尺寸的分块镜组成,发射时收拢，入轨后展开,在自适应光学系统的控制下精确地拼接成一个共相位主镜。空间可展开光学系统有效地解决了整体式大口径光学系统研制和发射中难以克服的种种问题，使轻量化、大口径光学遥感器的实现成为可能。论文在总结国内外现有技术和对实际项目分析的基础上，对空间光学遥感器大口径主镜展开技术进行了整理与规划，主要进行了以下几个方面的研究： 1．详细介绍了国外具有代表性的大口径空间光学遥感器主镜可展开系统的设计指标与主要技术特征，论述了空间光学遥感器大口径主镜展开技术的设计要点。 2．根据现有项目经验，对空间光学遥感器大口径主镜展开技术的研究提出了模块化的划分方法，包括：展开形式选择、驱动方式设计、定位方式设计、锁紧机构设计和共相位微调机构设计。针对每个模块提出了主要的设计要点与技术手段，为日后具体项目研究打下了理论基础。 3．以4m口径主镜的展开机构为设计目标，使用模块化设计手段进行了关键技术设计。对设计中的关键部件进行了结构设计与材料选择，并对设计结果进行了有限元分析与评估，确定了4m口径主镜展开系统的主体方案。 4．对空间光学遥感器大口径主镜展开机构的展开误差进行了分析，确定了主要误差来源并设计了共相位调整机构进行在轨微调。对地面试验的方法也进行了分析，提出了一些建议。

关键词：空间光学遥感器大口径主镜展开技术模块化设计方法误差分析机构设计有限元分析

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大口径SiC主镜主动支撑研究及促动器设计

红外与激光工程 2016年第7期45卷 179-183页

作者：李剑锋吴小霞邵亮中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

大口径轻量化Si C主镜是一种新型主镜,之前没有成功的支撑案例作为参考。通过对各类大口径主镜的主动支撑技术的优劣进行分析,确定利用液压并联力促动器的支撑方式对Si C轻量化主镜进行支撑,并利用自由谐振模式定标方法研究了某4 m Si ... 详细信息

大口径轻量化Si C主镜是一种新型主镜,之前没有成功的支撑案例作为参考。通过对各类大口径主镜的主动支撑技术的优劣进行分析,确定利用液压并联力促动器的支撑方式对Si C轻量化主镜进行支撑,并利用自由谐振模式定标方法研究了某4 m Si C主镜的校正力需求,计算发现该主镜对力促动器的校正力分辨率要求为0.1 N。针对这一需求,详细分析了影响机械式力促动器精度的主要因素,并进行了相应的设计,采用步进电机作为动力源,通过大减速比减速器驱动滚珠丝杠输出微米级微位移,并利用复合弹簧系统将位移转化为作用力,最终设计并加工出一款高精度力促动器,并对促动器进行了测试,发现该促动器的输出力范围-400~400 N,位移分辨率0.96μm,力分辨率0.05 N,可以满足主动支撑对力促动器的需求。

关键词：主动支撑大口径主镜力促动器

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大口径轻量化主镜边缘侧向支撑的优化设计

光学精密工程 2012年第10期20卷 2207-2213页

作者：范磊张景旭吴小霞王富国陈夫林杨洪波中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100039

对大口径主镜的侧向支撑结构进行了优化,以便最大限度地降低重力作用下的镜面变形。首先,从理论上给出了一种优化主镜边缘侧支撑结构的判据和思路,然后,引入边缘切向剪切侧支撑原理,阐述了这种支撑形式的优化思想和优势。以口径为2060m... 详细信息

对大口径主镜的侧向支撑结构进行了优化,以便最大限度地降低重力作用下的镜面变形。首先,从理论上给出了一种优化主镜边缘侧支撑结构的判据和思路,然后,引入边缘切向剪切侧支撑原理,阐述了这种支撑形式的优化思想和优势。以口径为2060mm的扇形轻量化主镜作为分析实例,采用16个边缘离散支撑点,优化设计等角间距侧向支撑,并针对轻量化主镜的结构特点和等角间距支撑下支撑力值相差较大的缺点,将等角间距改为不等角间距侧向支撑,分析推导了相应的支撑力公式。结果显示,改进后的支撑形式提高了系统的支撑刚度,镜面变形由原来的1.723nm降为1.633nm。所研究的边缘切向剪切支撑方式很大程度上保证了主镜镜面面形,对不同口径的扇形孔轻量化主镜的设计有普适性。

关键词：光学设计大口径主镜轻量化主镜侧向支撑优化设计

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大口径SiC轻量化主镜热变形的定标

光学精密工程 2012年第6期20卷 1243-1249页

作者：吴小霞王鸣浩明名王富国中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

为了准确地预算出大口径SiC轻量化主镜镜面的温度变形,研究了不同热模式下SiC轻量化主镜镜面面形的定标和计算方法。将SiC轻量化主镜上的温度传感器在轴向厚度方向上进行分层处理,对每层上的温度分布采用准Zernike多项式进行拟合。以4m... 详细信息

为了准确地预算出大口径SiC轻量化主镜镜面的温度变形,研究了不同热模式下SiC轻量化主镜镜面面形的定标和计算方法。将SiC轻量化主镜上的温度传感器在轴向厚度方向上进行分层处理,对每层上的温度分布采用准Zernike多项式进行拟合。以4mSiC轻量化主镜为例,采用有限元法分别对准Zernike前9项温度模式(18种温度场)下的镜面变形进行定标计算,得出各种单位载荷作用下轻量化主镜镜面的最大变形以及面形误差PV值和RMS值。计算结果表明:准Zernike第一项模式、单位载荷作用下镜面变形最大,其面形误差RMS为278.3nm。采用最小二乘法对各种温差场下的镜面误差进行准Zernike多项式拟合,获得了准Zernike像差项的系数。采用最小二乘法拟合计算出镜面变形误差产生的准Zernike像差项的系数,结果表明,18种温度场下产生的像差形式主要有:平移、倾斜、离焦、彗差和像散。

关键词：大口径主镜 SiC轻量化主镜热变形定标准Zernike多项式

2m SiC主镜Kinematic侧支撑方法设计与优化

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光电工程 2016年第12期43卷 46-51页

作者：刘博张景旭王富国刘祥意中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 中国科学院大学北京100049

基于运动学原理的支撑结构在大口径望远镜的底支撑中早已得到广泛运用,但是在主镜侧支撑中的应用还不成熟。本文首先解释了一种基于运动学原理的侧支撑结构的特点,然后针对一个直径2.04 m的主镜,使用有限元软件ANSYS中的参数化设计语言... 详细信息

基于运动学原理的支撑结构在大口径望远镜的底支撑中早已得到广泛运用,但是在主镜侧支撑中的应用还不成熟。本文首先解释了一种基于运动学原理的侧支撑结构的特点,然后针对一个直径2.04 m的主镜,使用有限元软件ANSYS中的参数化设计语言进行了具体的结构设计与分析。接着以主镜在光轴竖直状态下的镜面面形误差的均方根值(RMS)为目标函数,采用模拟退火算法,对支撑结构中各支撑杆的支撑反力进行了优化。最后得到的镜面变形的RMS值为16.67 nm。计算不同俯仰角下的镜面变形,均达到了RMS小于λ/30的技术要求。

关键词：运动学侧支撑大口径主镜

Whiffletree结构在主镜侧支撑中的应用研究

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红外技术 2012年第4期34卷 209-212,216页

作者：傅家张景旭王富国杨飞徐炜中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院研究生院北京100039

Whiffletree结构被广泛地应用在大口径望远镜主镜的底支撑中,但是目前在侧支撑中还没有采用Whiffletree结构的例子。首先探讨了在非薄弯月镜主镜中,采用Whiffletree结构进行侧支撑原理和方法,并结合一个实例,对Whiffletree侧支撑进行计... 详细信息

Whiffletree结构被广泛地应用在大口径望远镜主镜的底支撑中,但是目前在侧支撑中还没有采用Whiffletree结构的例子。首先探讨了在非薄弯月镜主镜中,采用Whiffletree结构进行侧支撑原理和方法,并结合一个实例,对Whiffletree侧支撑进行计算和设计,然后使用有限元软件***/Nastran进行了分析,最后得到镜面变形的RMS值为1.46nm,低于/40,证实该方案的可行性。

关键词： Whiffletree 侧支撑大口径主镜有限元法

2米碳化硅主镜在光机系统中精确定位方法研究

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2米碳化硅主镜在光机系统中精确定位方法研究

作者：原帅中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

学位级别：硕士

在光机系统中,所使用的光学元件的间距和准直有严格的要求,以防止像差的产生而导致的成像质量降低。作为地基大口径望远镜的关键组件,主镜性能的高低直接影响了整个望远镜系统的成像品质、工作时间以及可靠性等性能。而影响主镜光学系... 详细信息

在光机系统中,所使用的光学元件的间距和准直有严格的要求,以防止像差的产生而导致的成像质量降低。作为地基大口径望远镜的关键组件,主镜性能的高低直接影响了整个望远镜系统的成像品质、工作时间以及可靠性等性能。而影响主镜光学系统像质的因素,主要由主镜的面形精度和定位精度两方面组成。随着主镜径厚比的增大,以及新型镜坯材料的使用和凹面镜、弯月镜等新结构形式的应用,大口径望远镜主镜在光机系统中的精确定位方法的复杂程度和重要性日益提高。本课题针对某2米级地基望远镜项目,提出了主镜在装调、轴向支撑、径向支撑三种不同工况条件下的精确定位方法,提高了主镜在望远镜光机系统中的位置精度。设计了主镜的装调定位系统和径向定位系统,通过仿真分析给出了主要设计参数,并利用有限元方法评估了径向定位系统对主镜的位置精度、主镜系统的动态性能和主镜的面形精度等方面的影响。设计并加工了所设计的主镜径向定位系统组件的样件,开展了相关的性能测试试验;试验结果表明,组件的实际性能满足设计要求。具体研究内容如下:1)简单介绍了望远镜的发展历史,列举了一些常用的主镜镜坯材料并比较了各种材料的性能参数,对比得出了碳化硅材料具有的优势;明确阐述了课题提出的背景和实际意义,同时针对性地选取了国内外较为典型的望远镜系统,介绍了其主镜的基本参数和支撑定位方法,为接下来的研究设计工作提供了指导方向和参考方法。2)一方面,将大口径主镜视为一个刚体,阐述了运动学约束的基本原理、运动学接口的特性;另一方面,将大口径主镜视为一个弹性体,分析了弹性变形对主镜的定位和面形精度的影响。通过对理论知识的学习,为研究主镜在光机系统中的精确定位这一课题提供了理论基础。3)基于运动学约束原理提出了一套适用于大口径主镜在光机系统中的定位系统实现方案,方案涵盖了主镜的装调定位方法和装调定位系统设计、Whiffletree轴向支撑方式对主镜的约束作用和主镜的径向定位方法分析比较三个方面。着重介绍和比较了心轴中心定位方法和基于运动学约束的径向多点定位方法,选定了主镜的径向定位系统的设计方案。4)针对主镜径向定位系统,具体设计了主镜的径向定位系统实现方案。重点阐述了主镜径向定位点的选择和优化过程;利用matlab、UG、Patran/Nastran等计算机软件设计了具体的定位系统结构,其中重点包括柔性支撑杆的参数化设计和双向缓冲基座的结构设计;使用UG、Hypermesh、Patran/Nastran等软件建立了主镜系统的有限元模型,评估了设计的径向定位系统对主镜的位置精度、主镜系统的动态性能和主镜镜面的面形精度等方面的影响。结果表明,使用该径向定位系统的整个主镜系统谐振频率达到13.6Hz,光轴水平时主镜沿Y轴方向的平均位移小于0.05mm,镜面面形未受影响;所有指标均满足设计要求。5)设计并加工制作了主镜径向定位系统组件的样件,开展了与径向定位组件实际性能相关的测试试验,包括柔性支撑杆的实际刚度和缓冲弹簧的预紧力大小;试验数据结果表明,径向定位组件的实际性能与设计指标误差在1%以内,满足设计要求。本文研究的大口径主镜在光机系统中的精确定位方法能够有效地对主镜进行定位,所设计的主镜定位系统能够保证主镜的位置精度,满足主镜的谐振频率要求,且不影响主镜的面形精度,试验组件实际性能满足设计要求。研究结果对于开展2米级碳化硅主镜的支撑和定位技术的工程应用,具有一定的参考价值。

关键词：大口径主镜定位运动学约束有限元分析谐振频率预紧力