针对口径为 300 mm的一体化铝合金反射镜进行了拓扑优化设计，在反射镜光轴方向的自重载荷下，以整体柔度作为约束，反射镜最小体积作为目标进行迭代优化，得到了拓扑优化结果模型，根据其特征建立了实体模型并进行了参数优化，最终得到了总质量为 2.08 kg、面形均方根 RMS(Root Mean Square）为 5.9 nm、轻量化率为 70%的一体化反射镜结构。通过参数优化，结合与对比结构的对比验证了拓扑结构特征的有效性，并进行了支撑特性分析。中心六边形的支撑结构和半封闭的结构在自重工况下对面形精度的提升有极大贡献。中心六边形结构存在最佳支撑位置，即正六边形高度与直径比值为 0.26。

空间干涉测量系统是空间引力波探测的重要组成部分。本文介绍了一种全玻璃材料的差频激光干涉仪的组成结构和工作原理, 对差频干涉仪中双相干光束的匹配对准难题, 介绍了一种适用于光黏装配工艺的角度公差和位置公差保证方法。这种方法采用了监测系统和微量调整机构相结合的方式, 首先,监控系统可以实现光线相对位置的实时测量, 给出被调整光线的调整方向和调整量; 然后, 微量调整机构可以在平面移动和轴向转动3个自由度上, 对目标器件实现微米量级的微量调整; 监控过程和调整过程反复迭代, 可实现对光学元器件的高精度位置控制和角度控制。实验结果表明, 在调整方向上角度公差优于80 μrad, 位置公差优于85 μm。本方案基本满足差频激光干涉仪的装配精度需求, 为后续更高精度的装配奠定基础。

为了改善反射镜在环境温度波动情况下的面形精度下降问题, 设计了一种联杆型双轴Bipod柔性支撑结构, 并基于柔度理论对它进行了参量优化。首先, 对支撑结构的柔度进行了分析和计算, 推导出柔性支腿以及反射镜组件的柔度理论公式。然后, 以保证反射镜轴向支撑刚度和卸载能力为目的, 计算得到一组针对口径为200 mm反射镜的柔性支撑结构尺寸参数。最后, 通过有限元分析和振动试验, 对支撑结构的柔度公式、动态特性、温度适应性进行了分析验证。分析结果显示, 在一定作用力下, 柔性支腿的理论值与有限元分析值的误差在10％以内; 振动试验得到组件的一阶频率为358.5 Hz, 与理论计算值的相对误差为8.8％; 在20 ℃温差下, 反射镜面形精度为7.7 nm(rms)。试验结果验证了理论模型的有效性, 同时说明Bipod柔性支撑结构能够降低温度波动对反射镜面形的影响。

针对空间引力波望远镜皮米量级的极高光程稳定性需求, 对系统中主镜组件进行了优化设计。采用微晶玻璃(Zerodur)作为反射镜材料, 支撑结构材料为铟钢(4J36)。首先, 通过对反射镜参数的优化, 使其在保证面形精度的同时镜体轻量化率达到了72%。然后, 设计了一种双轴联杆型Bipod柔性反射镜支撑结构, 并采用了侧面三点支撑的形式。以保证有效的支撑刚度及卸载效果为目的, 建立了柔性铰链的数学模型, 并基于Matlab对其尺寸参数进行了优化。最后, 对优化设计后主镜组件进行了模态分析及振动试验, 并完成了在轨分析与波前质量计算。结果显示, 主镜组件的一阶固有频率为373 Hz, 与试验结果的相对误差为3.5％; 在轨环境下主镜面形精度达到8.9 nm(RMS); 波前精度为?姿/5(?姿=1 064 nm)。表明该反射镜组件满足设计指标要求。

引力波的直接观测已开启引力波天文学的新篇章, 爱因斯坦的百年预言终获证实。空间引力波探测器使得探测01 mHz~1 Hz频段丰富的引力波源成为可能, 与地面引力波探测器互为补充, 才可实现更加宽广波段的引力波探测, 揭开宇宙早期的更多秘密。空间激光干涉引力波探测采用外差干涉测量技术, 测量间距百万公里的两自由悬浮测试质量间10 pm量级的变化量。望远镜是激光干涉测量系统的重要组成部分, 1 pm的光程稳定性及苛刻的杂散光要求, 不同于传统的几何成像望远镜。本文根据空间太极计划任务需求, 对望远镜的功能及技术要求进行了分析, 并完成了原理样机的初步方案设计, 针对百万公里远场波前分布, 分析了望远镜系统的敏感性, 同时完成了在轨光机热集成仿真, 为后面原理样机的研制奠定了技术基础。

针对轻小卫星相机质量更轻、性能更好的设计要求, 对空间某中等口径的长条形反射镜提出一种基于中心支撑形式的轻型优化设计方法。选用背部中心单点支撑形式, 不仅从整体上减小了反射镜及其组件的质量, 而且大大简化了支撑结构的设计。采用多目标集成优化的方法, 提高了反射镜在Z向重力工况下的面形精度。设计了适用于中心支撑的柔性支撑结构, 克服了中心支撑刚度低、动态可靠性差的缺点。仿真分析了反射镜及其组件的综合性能, 并与背部三点支撑形式进行了比较。结果表明, 中心支撑的反射镜质量更轻(3.36 kg), 与实体反射镜相比, 轻量化率达到了87%, 组件质量也较三点支撑减小了24%; 在X、Y、Z三轴方向1 g重力工况下的面形精度RMS值分别达到2.2、2.1、7.5 nm, 优于三点支撑形式; 4 ℃均匀温升载荷工况下的面形精度RMS值为2.8 nm, 远小于设计要求的RMS≤12 nm; 反射镜组件的一阶固有频率为135 Hz, 重力作用下镜面的最大刚体位移为3.96 ?滋m。该设计在极大地减小了反射镜及其组件质量的同时, 保证了反射镜的面形精度和组件的动、静态刚度, 满足设计要求, 为同类型空间反射镜的轻型优化设计提供了一种新思路。

设计了一个应用于轻小型空间相机的碳纤维框架。根据光学系统中各光学元件的空间分布特点, 通过比较选择结构性能和工艺性能优异的M40J碳纤维复合材料完成了相机框架的结构设计, 并使用TC4预埋镶嵌的方法解决了碳纤维框架接口精度低的问题。对碳纤维框架进行区域划分, 采用集成仿真与优化设计方法、遗传算法全局寻优与单纯型下山法局部寻优的组合优化策略对碳纤维框架各区域结构参数进行优化设计。经过优化, 碳纤维框架包含TC4预埋件的总质量为15.6 kg, 仅占相机整机质量的18.4%, 相机的一阶频率达104.8 Hz。最后通过力学环境试验得到相机整机一阶频率为102 Hz, 与仿真结果相符, 进一步验证了设计的合理性和正确性。文中提出的碳纤维框架方案对轻小型空间相机设计有一定的借鉴意义。文中所采用的优化方法可广泛应用于空间相机光机结构设计中, 能大幅度提高设计效率, 缩短研制周期。