机场跑道异物探测是飞行安全的重要保障措施之一。从发展趋势看, “雷达+光电”的多源复合探测系统是机场跑道异物探测技术的发展方向, 迫切需要高集成度、高协调性的一体化设备。文章针对跑道异物探测场景, 基于光电探测和雷达原理, 通过异形天线设计, 高效分配毫米波探测和光学探测能力、合理规划毫米波天线口面和光学探测镜头布局, 进行光学成像系统和毫米波系统的协同设计和优化, 实现该复合探测系统前端最重要的一体化探测天线。该复合天线在确保最大限度发挥光电和毫米波雷达探测能力的同时, 获得紧凑、合理的一体化结构, 为高集成度、高性能的多源探测系统奠定技术基础。

为提高仿人机器人的步行能效, 改善其动态平衡性能, 借助拓扑优化对机器人小腿进行轻量化设计, 小腿结构由分体装配式结构重新设计为一体化结构, 零件由11个减少为1个。通过相图热力学计算, 获得AlSi10Mg热物理性能, 在此基础上开展小腿的粉末床熔融增材制造AlSi10Mg工艺研究和粉末床熔融工艺仿真, 结果显示, 优化的激光工艺参数窗口为线能量密度90~210 J/m。在此基础上, 打印出成品, 最终实现了小腿打印件减重63.8%的目标, 满足了轻量化、一体化、力学性能和美观的统一。

为解决高空间分辨率和微小卫星空间紧张之间的矛盾,基于像差理论和同轴四反光学系统,设计了一种同轴超紧凑型主三镜一体化光学系统。在焦距为1750 mm、F数为7、全视场角为1.4°的条件下对光学系统进行验证,并分析了其公差和信噪比。结果表明:光学系统的整体长度小于200 mm,仅为焦距的1/8.75,实现了光学系统的超紧凑化和小遮拦比设计。增加遮拦后,在奈奎斯特频率为78 lp/mm处,全视场传递函数优于0.26,全视场波像差优于λ/50;在太阳高度角为30°、地表反射率为0.05时,信噪比优于24.9。系统结构简单、紧凑,且成像质量良好,对微小卫星高分辨光学系统的设计有一定的借鉴作用。

为了提高空间飞行器的快速入轨能力, 满足空间飞行器弹道/轨道设计工作的快速、精确、可靠要求, 对空间飞行器弹道/轨道一体化快速设计方法进行了研究。首先, 对空间飞行器进行动力学建模, 分析弹道/轨道一体化设计需要满足的过程约束和终端约束, 给出空间飞行器的飞行时序; 为保证求解效率, 针对传统的弹道设计数值求解算法进行了创新改进, 综合应用改进牛顿迭代法、Broyden秩1方法和最速下降方法, 保证算法在初值不准的条件下仍能快速收敛; 最后, 研究了一种新的内外多层次求解策略, 同时将弹道段和轨道段分轮进行一体化设计, 进一步提高了算法的可靠性。仿真结果表明, 本文所研究的空间飞行器弹道/轨道一体化快速设计方法可在30 s内实现弹道/轨道设计, 设计精度为0.5 m。该设计算法可靠、快速、精确, 可应用于空间飞行器的快速入轨设计中。

为了在限定的包络结构内完成小型激光器冷却部件的设计, 并保证激光器和冷却部件的安装精度、发射天线的精度和水箱的散热能力, 根据该激光器的技术指标, 确定了采用的金属材料和焊接方式, 进行了一体化和小型化设计。采用有限元分析软件和SolidWorks软件对冷却部件中的重要零件进行静态分析, 以确保其精度和可靠性。最后将加工完成的实物进行温度特性试验、冲击振动特性试验和高低温环境下叠加冲击振动试验。结果表明, 冷却部件未出现撕裂、漏液等质量问题; 激光器的束散角为2.5mrad, 输出能量为86mJ, 脉宽为12ns, 满足设计要求。该设计稳定可靠, 可运用于多种机载激光测距机或指示器。

为提高搭载于运动平台之光电跟踪系统控制回路的设计效率, 以运动平台角扰动、目标运动特征以及系统跟踪误差指标为边界条件, 基于系统建模和参数辨识, 提出一种控制回路一体化设计方法, 给出各环路控制器的解析表达及一组经验公式, 并以某半实物仿真系统进行验证。在等效正弦125πsin(0.4πt) (mrad)角扰动环境下, 对正弦输入200πsin(t)/3 (mrad)的跟踪误差峰值不大于0.5 mrad, 满足均方误差小于0.5 mrad的指标要求, 表明该控制回路一体化设计方法的有效性。

为了兼顾光源聚焦镜引入的像差对光谱仪器分辨率和信噪比的影响，提出了消像差凹面全息光栅和聚焦反射镜一体化设计方法。建立了包含聚焦镜和凹面全息光栅的像差分析物理模型，推导了像差系数表达式，构造了像差校正目标函数，经优化得到设计结果。在一体化设计中，针对臂长为170.3 mm、基底曲率半径为170.2 mm的单色仪光栅，通过反向增大全息光栅像散项，补偿聚焦镜引入的轴外像差。与传统设计方法相比，该方法的像面点列图的均方根尺寸在子午方向由86 μm减小到81 μm，弧矢方向由765 μm减小到167 μm，提高了系统的消像差能力，为凹面光栅光谱仪器的光学系统设计提供了新的思路。

为使某飞行设备携带的小型红外相机在宽温度范围及恶劣动力学环境下能够良好成像，开展了红外相机光机结构设计。首先对光学系统及整机工作环境进行了分析，确定了光机结构采用全铝机身; 其次对核心部件——主镜的支撑结构进行了详细研究，分析说明了主镜传统支撑方式的局限性，确定了主镜与支撑采用一体化设计的方案，该设计同样适用于次镜; 接着根据相机尺寸选择了主次镜间支撑结构; 然后根据光学系统设计了合理的遮光罩; 最后，对相机过载适应性、温度适应性及模态进行了有限元分析，分析结果表明：该小型红外相机的光机结构能够满足设计指标要求。

：离轴三反光学系统具有成像质量高、可实现大视场、无遮拦等优点，但其装调难度大，镜面支撑结构质量大。为解决这些问题，基于三级像差理论，研究一种主镜、三镜可集成一体化的大视场离轴三反光学系统，并以焦距为1 200 mm，F数为12，视场为10°×1°的光学系统为例进行了验证设计。结果表明：调制传递函数接近衍射极限，视场内平均波像差RMS值为λ/55，最大波像差RMS值为λ/22。设计结果显示，光学系统装调自由度由12个减少到6个，可使光机系统可得到简化，实现了主三镜一体化设计。