1 中国科学院 长春精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京100049
针对某临近空间望远镜高面形精度和0°~65°观测角度的要求，设计了816 mm口径的SiC主镜组件。依据经验公式和拓扑优化方法，完成了主镜的设计，基于大口径反射镜复合支撑原理、功能分配和指标分配以及解耦标准设计了主镜支撑组件，最后根据支撑结构形式和装配公差要求设计了主镜组件装配工装并制定了装配工艺流程。对主镜组件进行了静力学和动力学仿真验证，然后对主镜组件进行振动、面形检测和倾角等试验验证。试验结果表明，主镜组件在光轴水平，1 g重力作用下面形精度RMS值为0.019λ（λ=632.8 nm），反射镜翻转180°后的面形RMS为0.02λ；总质量为102.7 kg，基频为171 Hz，振动前后RMS值基本不变，与分析结果吻合。证明该主镜组件的设计与装调工艺的合理性，满足临近空间望远镜的设计要求。
临近空间 复合支撑 仿真分析 面形检测 力学试验 near space compound support simulation analysis surface shape error test mechanical test 红外与激光工程
2021, 50(2): 20200178
红外与激光工程
2020, 49(5): 20190454
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
鉴于空间遥感器反射镜组件需要具有高面形精度、高可靠性和高稳定性支撑的性能, 设计了一种应用于天基反射镜的三点背部支撑结构, 该支撑结构包括锥套、柔节和修研垫。对三点背部支撑的支撑原理以及工程实现开展了深入研究。对引起三点背部支撑反射镜组件面形误差变化的误差源进行了归纳总结, 研究了各个误差源引起面形变化的作用机理, 对支撑结构开展相应的设计来缓解各个误差源导致的反射镜的面形精度的变化。首先采用有限元仿真的方法对设计结果开展静、动力学仿真, 然后对加工装配完成的反射镜组件开展了试验测试。测试结果表明, 在工作状态下采用该三点支撑结构的镜组件的面形误差优于λ/60(λ=632.8 nm), 镜体刚体位移小于0.01 mm, 镜体转角小于2″, 质量小于4.5 kg。整个组件具有合理的模态分布, 基频是254 Hz, 大大高于设计要求值120 Hz。镜组件在正弦振动和随机振动下的最大放大倍率为1.73倍, 在正弦振动和随机振动下的最大应力为369 MPa, 远低于选用材料的屈服极限。
空间遥感器 背部支撑 仿真分析 面形误差测试 力学试验 space remote sensor back support simulation analysis surface shape error test mechanical test 红外与激光工程
2019, 48(7): 0718004
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
次镜调整机构作为空间望远镜主动光学调整的核心组件, 为实现在轨实时快速调整, 其调整精度和动态性能均有比较严格的要求。机构常采用Stewart平台结构形式, 基于逆运动学模型和关节空间PID控制相结合的方法, 由于受到模型的非线性和不确定性、扰动及耦合的影响, 难以取得较为满意的效果。为解决该问题, 从机电动力学模型出发, 将平台各支杆间耦合因素表征为外部干扰, 建立了互相解耦的关节机电模型。依据模型辨识结果采用乘性不确定性描述模型摄动, 依据模型误差界和性能指标要求设计混合灵敏度加权函数。针对虚轴极点问题, 采用扩展H∞方法, 将复杂动力学系统的控制器设计问题转化为堆叠S/T/KS混合灵敏度问题。在Matlab中求解得到鲁棒控制器, 并在DSP中完成数字算法实现。仿真分析及试验结果表明, 鲁棒控制器具有更好的鲁棒性、扰动抑制性能和动态特性, 能够满足空间应用的可靠性需求。
空间望远镜 Stewart平台 主动光学 鲁棒H∞控制 混合灵敏度 space telescope Stewart platform active optics robust H∞ control mixed sensitivity
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
空间遥感器的大口径反射镜的设计目标是高比刚度。为限制发射成本, 尽可能降低镜体质量; 为保证反射镜的功能需求, 尽可能提高镜体自身的刚度, 随着反射镜口径的增大, 反射镜的轻量化设计更加重要。针对某Φ2 m口径天基大口径反射镜镜体的轻量化设计, 采用了传统经验设计、拓扑优化设计和尺寸参数优化设计相结合的综合优化设计方法, 相对大口径反射镜镜体的传统轻量化设计方法, 这种综合优化设计方法可使设计结果快速收敛, 获得最优化的设计结构。采用综合优化设计方法完成镜体的优化设计后, Φ2 m口径天基大口径反射镜镜体的质量为326 kg, 镜体轻量化率高达82.5%, 单镜在光轴竖直状态, 在1 g重力载荷作用下, 取决于镜体刚度的评价镜体成像质量的镜面面形精度RMS值的变化量优于4.9 nm, 单镜在光轴水平状态, 在1 g重力载荷作用下, 镜面面形精度RMS值的变化量优于4.3 nm。结果表明, 镜体质量优于设计要求的340 kg; 镜面面形精度RMS值变化量优于设计要求的5 nm, 满足了镜体要求的高比刚度要求。
拓扑优化 大口径反射镜设计 尺寸参数优化 topology optimization design of large-diameter reflector CAE CAE size parameter optimization 红外与激光工程
2017, 46(7): 0718005
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对空间遥感器反射镜组件的结构复杂性和高性能需求, 对空间遥感器反射镜组件的设计方法进行了研究。提出了一种经验设计、拓扑优化与尺寸参数优化相结合的设计方法, 该方法可使设计结果快速收敛, 获得最优化的设计结构。采用该方法完成了某空间遥感器反射镜组件的结构设计, 通过有限元分析的手段得到了表征反射镜成像质量的RMS值, 同时对整个反射镜组件进行了动力学分析计算, 最后利用环境试验对有限元分析结果的正确性和设计的合理性进行了验证。结果表明: 在重力载荷、温度载荷、镜面加工残差和装配误差的综合影响下, 反射镜组件面形误差RMS值满足使用要求; 整个结构有一个好的动态刚度和合理的模态分布, 反射镜组件动态性能优良, 满足使用要求。针对反射镜组件的设计, 该设计方法是一种有效的、可靠的设计方法。
拓扑优化 结构设计 反射镜支撑 尺寸参数优化 topology optimization structure design reflector support CAE CAE size parameter optimization 红外与激光工程
2016, 45(11): 1113001
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 吉林建筑大学, 吉林 长春 130118
针对空间遥感器反射镜对支撑功能的需求,设计了一种应用于空间领域的大口径反射镜复合支撑结构。该复合支撑结构包括A框加切向拉杆的周边支撑和3组whiffletree结构组成的背部支撑。研究了复合支撑的支撑原理和工程实现。基于功能分配和指标分配的理念设计了复合支撑结构。采用有限元分析的手段对设计结果进行了静力学和动力学仿真验证, 然后对实际的支撑系统进行了相关的试验测试。试验结果表明, 采用复合支撑的反射镜组件在工作状态下的面形精度优于λ/50(λ=632.8 nm), 镜体刚体位移小于0.01 mm, 镜体转角小于2″, 质量小于50 kg。整个组件模态分布合理, 基频为161 Hz, 远高于设计要求的120 Hz。各项仿真和测试结果均表明该复合支撑效果良好, 满足空间遥感器对可靠性和稳定性的需求。
空间遥感器 大口径反射镜 复合支撑 仿真分析 面形检测 力学试验 space remote sensor large aperture mirror compound support simulation analysis surface shape error test mechanical test
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
考虑到反射镜质量、尺寸对载荷敏感度、加工困难程度和总成本的影响，阐述了对空间遥感器大口径主镜进行轻量化设计与优化的必要性。叙述了主镜轻量化技术的一般规律，对几种轻量化方式进行了比较并给出了网格筋大小的确定公式。结合具体工程的主镜设计，针对SiC材料的空间反射镜提出了一种背部半封闭、三角形孔的轻量化形式，用迭代方法完成了轻量化设计，并制作了660 mm轻量化SiC反射镜。提出的设计方式解决了单种轻量化方式存在的不足，使单镜满足了质量小、刚度大的要求，为今后大口径SiC主镜的轻量化技术提供了借鉴和参考。
空间遥感器 主镜 轻量化 space remote sensor primary mirror lightweight
