为了满足空间探测对衍射望远镜的发展需求, 针对某衍射光学系统设计了一种空间可展开衍射望远镜。首先, 根据Serrurier桁架原理及优化设计理论确定了文中所用展开结构的形式及几何尺寸, 并针对某衍射光学系统设计了一种新型自展开结构; 其次, 建立了该展开结构的有限元模型并分析了其展开后的特性; 最后, 搭建了原理样机并对其进行了实验研究。实验结果表明: 该展开结构的展开距离为2.9 m, 展开后的重复精度误差小于2 mm, 偏心小于0.3 mm, 倾角小于0.2°, 且可通过促动器将其展开精度调整至微米级, 能够满足空间衍射望远镜自展开机构的结构简单、质量轻、稳定可靠、精度高等要求。

为了充分减小空间望远镜发射的质量和体积, 适应微小卫星的运载需求, 针对某光学系统设计了一种基于带状弹簧的新型空间望远镜自展开机构。首先, 根据理论分析确定了所用带状弹簧的几何尺寸, 并针对某空间光学系统设计了一种基于带状弹簧的新型展开机构; 其次, 建立了该展开机构的有限元模型并分析了其展开后的特性; 最后, 搭建了原理样机并对其进行了实验研究。实验结果表明: 该展开机构展开后的高度为500 mm, 展开后的重复精度误差小于0.1 mm, 偏心小于0.1 mm, 且展开后的一阶自然频率为35.5 Hz, 与有限元分析出的结果相符, 其误差为5.3%, 能够满足空间望远镜展开机构的结构简单、质量轻、稳定可靠、精度高等要求。

针对某离轴三反光学系统中的大长宽比长条形SiC反射镜镜面边缘随机振动加速度响应均方根值过大的特点, 提出一种采用“基结构法”的反射镜结构拓扑优化方法, 以随机振动加速度响应均方根值最小化为优化目标.首先对某初始反射镜结构进行有限元分析, 发现反射镜镜面边缘点Z向加速度响应均方根值过大.其次, 应用连续体结构拓扑优化思想, 以反射镜镜面边缘点的随机振动加速度响应均方根值作为优化目标, 以镜面峰谷值、镜体一阶约束频率作为约束条件, 以反射镜筋板式基结构作为优化空间, 对反射镜镜体结构进行拓扑优化设计, 得到了一种各项力学性能指标及面形精度均满足指标要求的反射镜轻量化结构.最后, 通过有限元分析与振动试验, 验证了本文设计的反射镜结构拥有良好的力学性能, 其中反射镜镜体质量相比优化前降低了13%, 镜面边缘点的Z向随机振动加速度响应均方根值降低了58%, 证明了本文优化方法的有效性.

针对空间展开机构轻量化、小型化、简单化等的发展需求, 通过理论分析实例设计了碳纤维带状弹簧, 并结合有限元模拟及实验对其屈曲特性进行了研究。首先, 根据薄壳弯曲理论推导了各向异性材料下碳纤维带状弹簧的弯矩计算公式, 并分析了影响其屈曲特性的敏感参数; 然后, 针对工程需要进行了单根碳纤维带状弹簧的实例设计, 并建立了其有限元分析模型, 得出了其弯矩-转角曲线; 最后, 加工出了碳纤维带状弹簧实物并对其屈曲过程进行了实验研究。结果表明: 实验测得的该碳纤维带状弹簧的临界弯矩值为1 237.6 Nmm, 与理论分析及有限元模拟结果符合的较好, 最大误差为8.7%, 验证了理论分析及有限元模拟的准确性及一致性, 为之后碳纤维带状弹簧的设计及应用提供了理论依据及技术支持。

为了满足星载一体化光学小卫星对主承力板的刚度和重量要求, 降低主承力板上各单机的动力学响应, 对工程常用的蜂窝夹层板等效理论和动力学分析方法进行研究。首先, 介绍了六边形蜂窝芯子的等效理论和考虑胶层的面板等效理论。建立了某星载一体化光学小卫星-Y向主承力板的有限元模型, 以重量和动态刚度为目标, 对蜂窝芯子参数进行优化分析。通过分析比较不同芯子蜂窝板的重量和刚度, 最终选择壁厚为0.03 mm, 边长为5 mm的蜂窝芯子。然后, 在模态分析的基础上, 对蜂窝主承力板进行正弦振动和随机振动分析。最后, 进行相应的正弦振动和随机振动试验。分析与试验结果表明: 一阶自然频率误差为1.9%; 正弦加速度响应误差为4.5%; 随机均方根加速度响应误差为3.7%。表明分析模型建立准确, 参数等效合理, 动力学响应分析准确, 并且能满足卫星结构总体和各个星上单机对主承力板的动力学响应要求。

为了实现尺寸为1 200 mm×484 mm的大长宽比长条形空间反射镜的无热装配, 减小反射镜面形精度受热应力的影响, 本文对环氧胶(GHJ-01(Z))胶层厚度对反射镜面形的影响及胶层在静、动力学载荷下的应力进行了研究。首先, 介绍了现有的几种基于胡克定律推导的无热粘结厚度方程及其假设条件, 并推导了带有锥度的背部盲孔反射镜无热粘结胶层厚度的方程, 得出无热粘结胶层厚度曲线; 然后, 建立了6种不同胶层厚度的反射镜组件模型并进行了分析与比较。通过分析, 在+5 ℃温升工况下, 反射镜胶层厚度为007 mm时具有最好的面形精度, 其RMS值00178λ, 其检测方向在自重作用下的面形精度RMS值为00173λ, 一阶频率为22017 Hz; 最后对胶层无热化设计后的反射镜组件进行了振动试验和粘结剂剪切强度试验, 分析与试验表明: 反射镜组件一阶频率为2164 Hz, 与有限元分析结果相对误差为171%; 满足动静态刚度要求; 同时, 在动力学载荷下该厚度胶层的应力均小于其固化后的抗剪强度, 安全裕度为246; 各项指标满足设计要求。

为满足视频空间相机中反射镜组件的轻量化、高刚度、高稳定性和短加工周期的要求, 采用基于ZERODUR微晶玻璃的背部单拱形镜体轻量化方案, 设计了一种外圆芯轴粘接的柔性支撑结构.通过有限元工程分析与基于响应面优化设计, 确定了支撑结构的最优尺寸.对反射镜组件进行了模态试验, 并完成了镜面的非球面光学加工与检测.试验结果表明：主镜组件的一阶自然频率为332.5 Hz, 与分析结果之间的相对误差为2.5%; 主镜组件在绕光轴分别旋转0°、120°与240°方向进行光学检测时, 面形精度均方根值均优于λ/40,实现了地面重力对反射镜面形检测零影响, 组件满足设计要求.