对于大型光学望远镜来说,主次镜之间的相对位姿有着非常严格的要求,由于主镜质量较大,因此常常将次镜系统设计为有多个自由度的可调整机构,其调整效果对望远镜成像有着重要的影响。随着望远镜的口径不断增大,应用场景的不断发展,次镜调整机构不止要保证高精度,还要有高负载,其设计也越来越具有挑战性。为了寻找大口径望远镜次镜调整机构的可行方案,针对大型光学望远镜的次镜调整机构的发展需求和不同的应用情况,对不同的次镜调整机构进行了整理,分类和对比,最后对各种次镜调整机构的优势与不足进行了总结,对大口径望远镜未来的发展进行了展望。

为满足望远镜副镜结构定位精度的要求, 提出一种固定杆长杆端轴向平移运动模式的六杆并联机构。从微分几何的观点研究了该机构输入关节空间向量与输出工作空间向量之间的非线性运动学特性, 并采用曲率概念度量解轨迹的非线性弯曲。通过与雅可比矩阵的对比分析可知, 采用曲率度量并联机构的非线性和采用雅克比矩阵反映的瞬时线性性质一致, 所设计的副镜并联调整机构在整个运动行程范围内的最大非线性误差约为3.15 μm。测试结果表明: 采用多项式误差曲线拟合校正之后, 该副镜调整机构三维平移重复定位精度小于2.6 μm, 二维旋转重复定位精度小于1.8″, 满足实际望远镜观测的需要, 采用的曲率度量法也可以为其他并联机构的非线性分析和校正提供一种新的思路。

针对空间相机次镜调整机构的复杂设计约束要求, 提出一组评价调整机构运行效率的指标体系, 并基于这组指标评价体系, 优化得到一组综合约束下效率性能较高的机构尺寸参数。通过建立机构的运动学模型、运动误差模型、静力学模型和动力学模型, 针对运载过程和在轨运行期间的约束要求, 提出了空间利用效率指标、误差传递效率指标、质量受力效率指标和运动能耗效率指标, 基于四个效率性能评价指标, 利用性能图谱法, 分别得到了四个效率指标的性能图谱, 并进一步优化得到了一组效率性能全面的机构尺寸参数(a, b, l)=(197 mm, 643 mm,1 260 mm), 研究成果为后续该机构的空间工程应用奠定了良好的理论基础。

为满足大口径离轴三反空间望远镜在轨成像质量需求, 设计了一种基于6-PSS并联机构的次镜调整机构, 并针对其精度进行了分析与实测。首先, 分析了次镜调整机构的组成和光学系统对它的精度需求。随后, 以逆运动学分析为基础建立了次镜调整机构的误差模型, 并对结构参数、动平台位置、动平台姿态对整机精度的影响进行了理论分析, 根据分析结果结合实际空间包络及重量等约束确定结构参数, 并采用Monte Carlo模型分析了该结构参数下的次镜调整机构的随机误差和系统误差。最后, 搭建了精度测试系统, 对次镜六维调整机构的主要技术指标进行了实测。测试结果显示, 次镜六维调整机构的位移分辨率优于0.1 μm, 角度分辨率优于0.5″, 双向重复定位精度达到亚微米/亚角秒量级（±0.4 μm/±0.3″）, 其绝对定位精度可以达到微米/角秒量级, 满足大型空间望远镜在轨成像要求。

为解决激光差动共焦元件参数测量系统中人工调整元件姿态效率低、重复性差的问题, 研制了激光共焦球面元件姿态自动调整系统。基于共焦原理, 建立了元件失调量与电动四维调整机构调整量关系的数学模型, 并根据CCD探测器实时获取的光斑位置信号分析出被测件的姿态信息, 结合闭环反馈控制算法实现姿态自动调整。利用电动四维调整机构搭建了自动调整实验装置, 实验结果表明: 研制的电动调整机构平移调整分辨力达到0.5 μm, 倾斜调整分辨力达到8″; 调整系统能够快速、稳定地将被测件姿态失调量调至误差范围内, 有效提高调整重复性及效率, 对激光差动共焦测量系统实现全自动球面元件参数检测格外重要。

靶准直器是惯性约束核聚变靶场中的重要部件, 其在靶室中的位姿是保证靶定位瞄准精度的主要因素之一。为了实现微米级的定位瞄准精度, 需要利用调整机构对靶准直器位姿进行调整。本文采取理论分析、有限元仿真和实验验证相结合的方法对靶准直器悬臂Y向调整机构的受力变形和稳定性进行了研究。根据对Y向调整机构的受力变形分析, 得到结构受力变形的理论关系式, 可从理论上优化Y向调整机构的刚度和稳定性; 基于有限元仿真对Y向调整机构进行相应约束条件下的稳定性分析和结构优化; 利用实验装置对靶准直器整体稳定性进行实验测试。实验结果表明: Y向调整机构优化后, 靶准直器静态Y向变形由原来的7.9 μm减小至小于2 μm, 动态稳定性满足系统2 μm/2 h的稳定性要求。同时, 试验、仿真和理论分析结果的变化趋势一致, 验证了理论和仿真分析的正确性。

根据发射望远镜的结构特点, 设计了口径为270 mm的梅逊反射无焦卡塞格林式发射望远镜并对其进行了装调与检测以满足激光发射及激光准直性的要求。基于光学原理确定了同轴反射式光学结构的设计方法和系统参数。用有限元分析方法对比桁架式与圆筒式主支撑结构以及三翼梁和四翼梁次镜支撑结构在不同工况下的变形, 选定桁架式三翼梁支撑结构用于该望远镜。通过设计适当的主、次镜装调结构, 配合干涉仪和自准直平面镜, 分析了次镜偏心引起的系统像差, 得到灵敏度矩阵并用于系统的装调和检测。得到的结果显示系统的波前误差RMS为0.146 7λ, PV为0.739 41λ (λ=632 nm)。检测结果表明, 桁架式结构的镜头能满足发射望远镜系统对像质的要求, 可实现激光发射并保证激光的准直性。

针对大口径、长焦距的高分辨力空间光学遥感器对调焦和调偏流的要求, 本文基于高刚度、高强度滚珠花键结构和高精度滚珠丝杠结构, 提出了一种焦面二维精密调整机构, 能够实现调焦和调偏流目的。焦面二维精密调整机构结构紧凑, 占用空间小, 质量轻, 并具有足够的强度、刚度、良好的自锁性能及抗冷焊性能。机构的质量为 5.5 kg, 调焦范围为 ±2 mm, 调焦分辨力为 0.17 μm, 调偏流范围为 ±5°, 调偏流分辨力优于 0.000 2″, 对机构进行精度检测, 各项参数均满足指标要求, 适合在大口径、长焦距的高分辨力空间光学遥感器空间光学遥感器中使用。