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天基大口径反射镜轻量化设计及复合支撑技术研究

王克军

  随着空间探测分辨率的不断提高,空间相机主反射镜的口径越来越大。口径增加,反射镜组件对重力变化,温度变化和发射转运等环境的干扰也更加敏感。针对空间遥感器大口径反射镜组件的功能需求、工作环境的复杂性和其不可维修性,反射镜组件必须具备高尺寸精度、高可靠性和高稳定性的性能。本论文以在研大型综合空间载荷项目中的2m口径主反射镜组件的稳定支撑为依托,开展了如下几方面的研究工作:1、在概述国内外空间大口径反射镜轻量化设计以及支撑发展的基础上,详细阐述了各种支撑的优缺点,并总结了天基大口径反射镜支撑的发展方向。2、针对天基大口径反射镜的高尺寸精度、高可靠性和高稳定性需求,提出了被动支撑为主、主动支撑为辅助的主、被动复合支撑方案。被动支撑由周边支撑和背部支撑组成,主动支撑由36个力促动器组成。在正常工作状态下,被动支撑起作用,通过周边支撑和背部支撑的共同作用,约束主反射镜的六个空间自由度,实现静定支撑,对主反射镜空间定位;通过周边支撑和背部支撑的多点支撑,保证镜体的面形精度。在轨工作过程中,出现温度控制失调等不可预测因素导致被动支撑系统不能正常工作时,主动支撑起作用,此时,被动支撑做为“硬点”,起空间定位作用,主动支撑通过力传感器、施力机构和控制算法对主反射镜进行面形调整,保证主反射镜组件正常工作。3、本论文提出了一种天基大口径反射镜组件的优化设计的新方法。传统的反射镜轻量化及支撑结构的设计主要采用传统经验设计与有限元校核的手段。该方法是根据设计人员经验,采用传统理论和经验公式设计出反射镜组件的结构,用有限元手段进行校核计算,然后根据仿真分析结果,修改模型,进行反复迭代,最终设计出满足指标要求的反射镜组件。这种方法效率相对较低,耗费大量的人力和物力,并且设计结果很难收敛到最优解,得到的设计结果可能只是满足设计指标的局部最优解,很难得到全局最优解。针对传统设计方法的缺陷,本文提出了一种反射镜组件优化设计的新方法-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。这种方法设计效率高、结果收敛速度快,可快速获得最优性能的结构。4、采用传统经验以及经典理论公式,深入研究支撑原理,完成镜体、被动支撑结构的初始设计。5、被动支撑方案优化设计。根据指标需求,确定组件的优化设计变量、约束条件、优化目标函数。优化目标函数的选取是关键,镜面变形对光学系统成像的影响尤为突出,确定镜面面形误差为优化目标函数,并确定反射镜镜面面形精度rms值作为镜面面形误差的评价标准。采用matlab语言编写了镜面面形精度rms值的计算程序,利用isight商业软件的过程集成和流程自动化功能,建立了几何和有限元模型的更新、计算和评价的优化平台,实现对镜体和被动支撑结构的尺寸参数优化设计。6、主动光学用来消除在轨工作时不可预测因素造成的像差,将像差分解为像散、彗差、三叶、离焦等基本像差,彗差由次镜调整,离焦由“三合一镜”调整,主反射镜用来调整象散和三叶。将校正像散和三叶像差分量的能力大小做为主动光学促动器个数、点位的设计目标。采用isight集成优化平台集成sigfit软件在多点被动支撑点做硬点的前提下,完成主、被复合支撑方案中主动光学促动器个数和点位的设计。7、为验证主、被动复合支撑的原理、优化设计方法的实用性以及方案的工程可实现性,采用与2m口径主反射镜组件相同的设计方法设计了与2m口径主反射镜组件支撑方案相同的试验镜组件,开展主、被动支撑的原理试验、设计方法实用性试验和工程可实现性试验。本论文研究工作围绕天基大口径反射镜轻量化设计及支撑技术,从天基大口径反射镜组件的高尺寸精度、高可靠性和高稳定性需求出发,提出了被动支撑为主、主动支撑为辅助的复合支撑方案;针对天基大口径反射镜组件传统设计效率低下,不易获得最优解的弊端,提出了一种反射镜组件设计的新方法-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,设计效率高、结果收敛速度快,可很快获得最优性能的结构。最后采用试验镜组件对支撑方案的原理、工程实现以及设计方法开展了相应的试验。为论文所依托的在研项目的顺利进行奠定了基础。该复合支撑方案和设计方法可以应用于更大口径的天基反射镜的支撑和设计中,该支撑方案的另一个意义在于:备份主动光学在轨应用可以做为纯主动光学在轨应用的一次先期试验,为纯主动光学的在轨应用铺桥引路。……   
[关键词]:天基大口径;复合支撑;主动支撑;优化设计方法;被动支撑;轻量化设计
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)2016年