一对多激光通信天线受结构和尺寸的限制,反射镜与安装平面只能单独研磨。虽然可根据面形测试结果对安装平面进行反复研磨,以保证摆镜安装后的面形精度,但该方法难度大、周期长、成功率低。为了减小加工难度,在保证正常研磨精度(5μm)的同时降低安装面平面度造成的安装应力和温度变形等外力影响,保证摆镜安装后的面形精度。研究了摆镜在力学作用下的面形精度变化和面形稳定性,优化设计了隔离结构,有效提高了摆镜的面形稳定性。测试结果表明,在测试波长为λ时,安装应力和温度升(降)载荷作用下摆镜面形精度的峰谷值由0.546λ提升到0.161λ,均方根值由0.099λ提升到0.019λ,完全符合设计要求。

激光通信大口径地面光端机的主要作用是与卫星建立通信链路，实现卫星与地面站之间的数据传输。某激光通信车载地面光端机 600 mm主镜采用微晶材料，重量较大且工作角度不断发生变化。为保证镜面变形精度，该主镜在采用轴向背部 9点支撑的基础之上，需同时采用径向支撑结构平衡主镜在其工作角度下重力的径向分力。本文根据主镜工作角度变化，针对传统多点径向支撑结构尺寸大并易造成应力集中等问题，为平衡主镜径向重力分量，减小径向支撑结构尺寸，设计了中心轴与水银带相结合的径向支撑方案，采用有限元分析方法得出水银带参数对主镜面形的影响，优化了支撑参数并设计了支撑结构。主镜面形测试结果表明，采用本文提出的径向支撑结构后，主镜面形达到了预期效果，面形 PV值优于 λ/5，RMS值优于 λ/37，完全满足设计要求。

在保证“一对多”激光通信终端光学天线的成像质量前提下, 为解决光学天线两端面承担载荷的技术问题, 提出了一种用于卫星平台的可承载式激光通信光学天线。对主镜组件、可承载式遮光罩及次镜支撑桁架的结构形式以及连接方式进行正对性设计, 保证主镜面形精度以及次镜的位置精度。使用ANSYS有限元分析软件进行分析, 结果表明: 整机一阶模态151.54 Hz; 光学天线前端可承载8.5 kg, 后端面可承载13 kg; 径向1 g自身重力及两端承载工况下, 主镜面形精度RMS值(均方根误差)为λ/158、PV值(最大峰谷误差)λ/30, 次镜最大倾角1.88″; 在(20±5)℃环境温度、轴向1 g自身重力及两端承载工况下, 主镜面形精度RMS为λ/65、PV为λ/14, 次镜最大倾角1.21″, 该天线承载后具有较好的力、热稳定性以及成像质量, 可以满足天线在地面装调、检测以及发射过程中的指标要求。采用质量块模拟两端负载质量及重心位置, 使用ZYGO干涉仪进行测试, 结果表明系统波相差能够满足1 g重力及负载条件下, 系统波相差RMS值优于λ/15的指标要求。

针对星载激光通信端机伺服转动系统在轨期间多次锁紧/解锁需求, 提出了一种基于形状记忆合金(SMA)丝的可重复锁紧/解锁机构。首先, 分析了重复锁紧/解锁机构利用弹簧分力实现锁紧和SMA丝输出回复应力实现解锁的工作原理, 利用杠杆原理优化了锁紧力与锁紧位移; 其次, 仿真分析了锁紧力与解锁力之间的平衡关系, 以及锁紧力对整机模态的影响; 最后, 研制了原理样机, 实验验证了解锁力、解锁时间与供电电流的关系、重复锁紧/解锁功能, 以及高温、振动等航天环境对锁紧机构可靠性影响等问题。实验结果显示, 该机构可提供1 000 N锁紧力, 在输入12 V/3 A电源时, 最大解锁时间不超过2 s, 在环境温度90 ℃以下可保证稳定可靠锁紧, 并可实现多次重复锁紧/解锁。该机构具有轻小型、低冲击、可重复、低功耗优点, 满足星载激光通信端机多次锁紧/解锁需求, 应用潜力巨大。

为了保证移动地面站光电跟瞄系统在野外复杂环境下具有稳定的跟踪精度, 针对-20~40 ℃宽工作温度范围下信标接收镜头成像光斑弥散的问题, 进行了光学系统与光机结构的设计, 提出了一种以步进电机驱动补偿镜组的温度补偿方案。分析了极限温度条件下光学系统性能的改变以及不同温度补偿方案的效果, 针对光电跟瞄系统的指标要求, 设计了光机结构并进行了力学、光学性能的分析。分析结果表明, 系统一阶模态为370 Hz; 补偿镜组向前移动0695 mm能够补偿-20 ℃时光学系统成像光斑的弥散, 令中心视场光斑尺寸由73 μm降为32 μm, 边缘视场光斑尺寸由77 μm降为157 μm; 向后移动0885 6 mm能够补偿40 ℃时成像光斑的弥散, 令中心视场光斑尺寸由94 μm降为39 μm, 边缘视场光斑尺寸由96 μm降为218 μm; 使用ZYGO干涉仪对光学系统的像质进行检测, 波像差RMS值(均方根值)为0061λ(λ=6328 nm), PV值(峰谷值)为0466λ, 能够满足跟瞄系统指标要求。

为了满足空间多节点激光通信系统的研制与调试要求,提出了一种多用途激光通信光学天线。通过替换透镜或分光组件,实现激光通信光学天线与自准直平行光管功能的切换。对主镜室进行加强设计,提高了系统整体刚度并使其具有遮光罩的功能。主镜室前端面与盘式次镜架连接,方便光学系统的装校工作,内部通过6个粘接点与主镜相连,后端面连接主镜室背板,以提供透镜组件、分光组件及主镜辅助支撑组件的安装接口。有限元分析结果表明,本结构1阶模态为345 Hz,环境温度在20 ℃±5 ℃范围内,主镜面形误差均方根值优于λ/28。使用4维(4D)干涉仪对系统波像差进行检测,结果表明,激光通信光学天线工作模式下系统波前均方根值优于λ/14,能够满足激光通信系统的指标要求。

库德式激光通信终端粗跟踪探测器大视场接收信标光时，需通过望远单元、多块库德反射镜、分光片和粗跟踪透镜组，信标光传输路径长，使得后续子光路粗跟踪支路口径明显增加; 捕获时望远单元和库德反射镜与粗跟踪探测器存在相对运动，信标光传递环节多，跟踪模型复杂。针对这两个问题，首先，对比了3种传统库德光路，选择二次成像型库德光路并对其进行设计，通过设计使后续子光路光学口径减小，利于后续子光路轻小型化设计; 随后，对二次成像型库德式激光通信终端的跟踪模型进行推导，通过反射镜矩阵和坐标变换建立跟踪模型，并用Matlab-Simulink对跟踪模型进行仿真; 最后，通过地面试验，对终端的跟踪性能进行测试，实测方位跟踪最大脱靶量为8465 μrad(3σ)、俯仰最大脱靶量为5633 μrad(3σ)，满足通信要求的150 μrad(3σ)，二次成像型库德结构和跟踪模型可满足星间激光通信粗跟踪捕获和跟踪要求。

针对某星载激光通信中光电跟瞄系统的反射镜组件进行研究，对比了三种柔性支撑方案，结合空间载荷实际应用情景综合评估结构的刚度优势和面形精度。分析结果表明，颈口侧壁开槽的柔性支撑方案在重力和温度变化影响下的面形精度(RMS)可达2.05 nm和8.88 nm，基频模态为926.1Hz，在保证面形精度的柔性要求与高刚度抵御振动损坏的平衡中，这种柔性设计方案最为合理。进一步完成了柔性支撑结构的参数优化设计并进行了动力学分析，频率响应下应力最大值为96 MPa，小于材料的抗拉强度极限；随机振动分析结果表明，反射镜加速度响应均方根为11.14 g RMS，并满足3σ准则。文章最后通过0.2 g正弦扫频试验，验证了有限元模态分析相对误差为2.4%。实验结果表明，分析结果基本准确可靠，柔性环节设计可靠，满足使用要求。