空间反射镜拓扑优化及其支撑技术研究
随着空间光学技术的不断发展,空间光学遥感器在空间探测、天气预报、军事侦察、海洋研究等领域都发挥了非常重要的作用.反射镜作为空间光学遥感器光学系统的关键部件,其面形精度对整个遥感器的成像质量有着不容忽视的直接影响.在未来大口径反射镜必将成为空间光学技术发展的重要趋势,然而反射镜口径的增大会使反射镜自重变形以及由温度变化而引起的热变形急剧增加,整个系统的运输发射等成本也会大大增加;反射镜的质量增加也会使支撑结构的设计难度增大很多.这也要求我们必须在尽量减重的条件下设计出合理的轻量化结构与柔性支撑结构,才能保证整个系统的光学性能满足要求.而传统的轻量化设计很难同时满足这些要求,拓扑优化技术作为一种新型的轻量化方法是当前空间光学遥感技术研究的重要方向,且目前反射镜拓扑优化研究较多的是针对圆形反射镜,而本文研究对象是长条形反射镜,其尺寸为800mm*240mm.长条形反射镜的轻量化设计与支撑设计与圆形反射镜都存在较大差别,所以本文针对长条形反射镜的拓扑优化与柔性支撑结构设计,主要做了以下几方面的工作:分析对比了长条形反射镜不同轻量化方法和支撑结构的优缺点;针对空间环境条件,将传统轻量化方法与拓扑优化方法进行对比,得出的反射镜拓扑优化结构不论是在轻量化率还是面形精度上都要优于传统轻量化结构.选用背部三点柔性支撑结构完成了反射镜支撑组件的设计,并通过对柔性铰链参数和支撑板拓扑进行优化,确定了组件的整体结构.对有限元软件得到的镜面变形数据进行Zernike多项式拟合,获得可用于光学面形评价的结果,并完成了反射镜组件的静力学与动力学分析,柔性结构支撑下的反射镜组件在不同工况下的反射镜面形精度PV值小于λ/10,RMS值小于λ/50(λ=632.8nm),前三阶谐振频率均远远高于结构的固有频率.分析结果表明反射镜组件满足空间应用要求.整个反射镜组件能够达到足够高的静态刚度、动态刚度和热稳定性,具有足够抵抗外界环境干扰的能力,能为其他长条形反射镜组件的设计提供借鉴.
- 作者：
- 相萌
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
- 专业名称：
- 光学工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 李福
- 中图分类号：
- V443.5
- 关键词：
- 空间反射镜；空间光学遥感器；SiC主镜；拓扑优化；轻量化；柔性支撑；Zernike多项式
- Space mirror； Space optical remote senor； SiC mirror； Topology optimization； Lightweight design； Flexures； Zernike