混合使用响应面近似模型和直接优化方法对主镜进行轻量化和支撑点布局集成设计,并以2.5 m地基光学望远镜的超低膨胀主镜为例,对该方法的参数敏感性分析、基于Kriging响应面多目标遗传算法的全局优化、基于混合整数序列二次规划梯度算法的局部优化过程进行研究,并采用折衷规划理论制定评价函数。集成优化结果表明,与相同尺寸的实心镜相比,主镜采用背部局部开放式六边形孔夹芯三明治结构时,轻量化率为72.13%。主镜轴向采用54点whiffletree被动支撑,在光轴竖直及重力载荷下镜面变形的均方根值为6.08 nm,各项指标均满足设计要求。

针对空间光学遥感器对大口径主反射镜质量轻、面形精度高的要求, 设计了一种超轻量化SiC反射镜。首先确定反射镜的轻量化方案, 之后采用集成优化方法, 在ISight软件平台上集成几何建模、有限元分析和面形拟合等设计流程并自动化运行。反射镜结构参数为优化变量, 镜体质量和面形精度RMS值为目标函数。采用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)对集成优化模型进行多目标、全局性的优化求解。最后结合制造工艺调整优化结果, 得到反射镜的最终设计方案并仿真分析。结果表明, 反射镜的质量为11.4 kg, 面密度为37 kg/m2, 光轴水平工况下面形RMS值为1 nm, 一阶自由模态频率为1100 Hz。结果验证了所提出的集成优化方法的有效性。

为了提高碳化硅反射镜的成像质量,针对反射镜传统的轻量化结构提出了改进形式及相应的优化方法.提出轻量化反射镜的变筋厚设计方案,分别基于几何位置与传力路径对轻量化筋进行分组,成像质量与传统结构相比明显提高,指出具有不同拓扑关系的轻量化筋在增强镜体刚度的过程中所起到的作用不同.对反射镜背部的筋板结构进行修剪,改善了远离支撑孔处面形的局部塌陷.针对改进后的反射镜建立集成优化模型,使用多岛遗传算法确定了反射镜中各结构参量的最佳组合.仿真结果表明,基于传力路径的分组改进方案经优化后的性能相比传统结构经优化所得的结果,面形准确度提高了33.2%,重量下降了11.7%.

离轴三反系统 (TMA)在具有高分辨率、大视场的空间遥感器中被广泛使用, 长条形反射镜作为 TMA系统中的核心元件, 其自身的性能直接影响遥感器的成像质量。本文在传统反射镜轻量化结构的基础上, 为改善反射面局部面形质量, 提出一种变筋厚设计方案; 为了确定各结构参数的最佳取值, 将反射面的面形精度和镜体质量同时作为目标函数, 采用邻域培植多目标遗传算法 (Neighborhood Cultivation Genetic Algorithm, NCGA)对其进行集成优化求解; 结合制造工艺的约束, 调整并确定该反射镜最终的设计方案。在 z向 1 g工况下, 优化后的反射镜 RMS值为 1.278 nm、PV值为 5.642 nm, 分别较初始结构 (RMS=1.947 nm, PV=8.349 nm)降低了 34.4%和 32.4%, 且质量比初始结构略有减轻, 从而兼顾了面形精度和镜体质量。这说明本文所提出的轻量化方案和结构参数确定方法适用于 TMA系统中长条形反射镜轻量化结构的设计, 对今后相关元件的研制具有一定的参考价值。