主镜支撑技术一直是大口径望远镜技术的关键技术, 以2 m SiC轻量化主镜为研究对象, 探究了通过力矩校正的半主动支撑方法, 用于校正一些由于加工误差、装配误差等因素引起的一些不可预知的因素所导致的低阶波前像差。首先建立有限元仿真模型, 进行仿真分析, 分别在6处Tripod柔铰处施加两个方向正交的, 大小为1 Nmm的单位校正力Mx和My, 共分析12种工况下的主镜变形情况; 然后利用微小变形的线性叠加原理, 分析计算该力矩校正方法对低阶波前像差的校正能力, 由分析计算可知, 该力矩校正方法对于加工、装配及装调过程中最常出现的倾斜和像散具有很好的校正能力, 可以将初始镜面RMS值归一化为1/10λ(λ=632.8 nm)的像差, 分别校正到0.687 nm和2.97 nm, 校正能力分别为98.9%和95.3%, 所需的最大校正力矩分别为6.3 Nmm和19.9 Nmm; 然后根据主镜的whiffletree支撑结构, 设计了力矩校正结构方案; 最后通过试验验证柔性薄片力矩校正结构形式的可行性, 进而验证半主动支撑力矩校正方案的可行性, 为半主动支撑的工程应用积累了一定的宝贵经验, 具有一定的指导意义。

针对目前地基空间探测红外成像系统对高灵敏度、高探测能力及信噪比的要求, 对地基冷光学红外成像技术进行了研究, 包括红外杜瓦冷却系统内部辐射抑制、系统终端快速制冷、低温红外探测器的研制、低温冷光学系统设计装调等关键技术。在各项系统技术突破的基础上, 研制出一套相对孔径1:10、分辨率320×256、兼容中波3~5 μm和长波8~10 μm波段的冷光学红外成像终端。系统终端实现制冷温度最低至42 K, 真空度10-5 Pa量级。将终端与1.23 m口径地基望远镜对接, 对月亮和红外标准星观测具有良好的成像效果。该系统的研究为地基大口径冷光学红外探测技术提供参考。

针对采用Whiffletree式底支撑和推拉平衡重式侧支撑的大口径主镜在主镜室中的准确定位, 基于运动学约束原理提出了一种大口径主镜侧向定位方法。介绍了运动学约束的基本原理, 提出了一套主镜侧向定位系统实现方案, 包括定位点位置的选取、柔性铰链和定位基座的设计, 并设计了一种侧向定位系统。利用有限元方法, 分析了设计的侧向定位系统对大口径主镜系统的位置、谐振频率和镜面面形精度等方面的影响。结果表明, 使用该侧向定位系统的整个主镜系统谐振频率达到13.6 Hz, 光轴水平时主镜沿Y轴方向的平均位移为-355.863 nm, 镜面面形未受影响, 所有指标均满足设计要求。实验结果验证了提出的主镜侧向定位系统设计方案对大口径望远镜主镜的支撑和定位系统设计具有工程指导意义。

对于采用冷光学技术的短波红外透射式成像系统, 由于光学元件及支撑结构的加工、装调温度与实际工作温度差异较大, 几何形状的变化差异将导致光学元件出现位置误差, 甚至受到破坏。本文根据低温红外系统对光机结构的设计要求, 遵循均一性和不调整两个原则设计和加工一套短波红外成像系统的光机结构。在透镜和支撑结构件的配合面上分别加工45°的斜面, 以充分适应光学元件与其支撑结构在温度变化过程的热胀冷缩, 避免了光学元件和支撑结构由于受热变形差异过大而产生的不可恢复性破坏, 最后通过实验验证了该光学支撑方案在80 K的低温下具有良好的成像效果, 本文的研究为今后大温差下的红外光机系统设计提供了较高的参考价值。

为了解决光机系统动力学分析与面形优化过程中由于光机接口程序后处理方式所引起的计算数据量大或接口处理失效的问题, 提出将光机接口处理过程移到有限元前处理中, 并进行了光机系统的集成分析与优化。首先, 为了解决标准Zernike多项式在环形离散点域内的非正交性, 引入了节点面积加权因子和环域Zernike多项式。提出了通过对镜面施加均匀压强求节点支反力的方式求取节点面积加权因子的计算方法。然后采用最小二乘法推导出镜面刚体位移和拟合镜面变形的Zernike多项式系数与镜面各节点变形量之间的线性关系式。最后, 编写接口程序将这些线性表达式以多点约束(MPC)的方式导入到有限元模型中, 在前处理过程中完成系统的光机接口处理过程。通过对非稳态风载引起的某1.2m地基望远镜视轴抖动和液压whiffletree支撑下的主镜镜面高阶变形量进行结构动力学随机响应分析, 验证了光机前处理方法对解决光机系统动力学问题的有效性。此外, 还以镜面面形为优化目标对1.2 m轻量化主镜的镜体结构和尺寸进行敏感度分析, 证明了光机前处理方法可以有效地简化镜面面形的优化分析过程。

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。

在大口径望远镜主镜液压支撑形式中，液压缸需要一种简单可靠、不需要润滑维护的精密导向机构，而且可以输出较大行程范围(毫米级)。设计了一种柔性金属膜片机构用于液压缸的径向定位导向。建立了金属膜片机构有限元模型，采用几何非线性算法，研究分析了不同拓扑结构对金属膜片柔度的影响，通过不同拓扑结构金属膜片的性能分析对比可知，V型膜片能够很好地克服应力刚化，保证柔度的稳定性；以柔度为优化目标，对金属膜片V型的位置尺寸和形状尺寸进行了优化设计，金属膜片在导向方向上的柔度提高了14.2%；搭建了柔性金属膜片机构柔度测试平台，验证了仿真计算结果。结合实验和仿真结果可知：V型柔性金属膜片具有良好的定位导向性能，对用于液压支撑的液压缸和主动光学的微位移促动器的导向机构的设计具有指导意义。

由于地基大口径望远镜主镜视宁度与望远镜系统成像质量相关,本文研究了环境对主镜视宁度的影响.理论分析了影响主镜视宁度大小的因素,得出主镜视宁度会随主镜表面和环境之间温差的增大而增大的结论.利用有限元法分析了自然对流和吹风条件下主镜的温度变化和温度分布;最后通过相应工况条件下2 m SiC轻量化主镜的温度测试实验对仿真分析结果进行了验证.实验结果显示:在初始温差为6℃的无风自然对流情况下,主镜与环境达到温度平衡约需4 h;而在初始温差为8℃的吹风情况下,主镜与环境达到热平衡仅需1.5 h.分析和实验结果表明:采用强迫对流热控措施可快速而有效地将主镜视宁度控制在合理的范围内,可获得更多的望远镜观测时间,同时保证大口径望远镜系统的成像质量.

为了更好地评价与研究受视宁影响的观测系统, 引入了基于功率谱的分析方法.使用不同截止频率以及衰减系数的卡曼谱来反演系统的中高频误差, 同时使用Zernike 多项式来表征系统低阶起伏, 结合这两种误差, 得到了系统误差的数值模型.最后, 通过分析实际波前叠加数值模拟大气扰动前后的功率谱, 验证了本方法评价受视宁影响的大口径系统的可行性.