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《中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)》 2014年
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空间大口径反射镜优化设计及其支撑技术研究

王超  
【摘要】:随着空间技术的不断发展,空间光学遥感器得到了越来越多的应用,其在空间探测、能源勘探、天气预报、军事侦察、国家建设、海洋研究等领域具有举足轻重的作用。因此,世界各国正竞相对其进行研究开发[1]。空间遥感器未来将是各发达国家综合国力的重要体现。而空间相机作为光学遥感器的重要有效载荷,其成像质量的好坏直接关系到遥感器的性能优劣。根据光学理论,反射镜口径越大,其成像分辨率越高。在未来,大口径反射镜将成为遥感器技术发展的重要趋势。相对孔径越大,镜头的分辨力越高,同时像面的照度也越大,曝光时间可以缩短。然而,随着反射镜口径的不断增大,反射镜的自重也急剧增加,同时,反射镜口径越大,其在温度变化时的变形也越大。因此,必须设计合理的反射镜组件结构,以满足性能要求。 本文首先分析了反射镜的工作环境,并给出了反射镜组件的设计依据。在此基础上,结合前人的研究成果,本文首先对反射镜进行设计,包括选材、背部形式、基本厚度、支撑位置和轻量化方式。其中,对于轻量化方式,本文从传统和拓扑优化两种形式入手,对反射镜进行了设计。从分析结果对比可知,拓扑优化反射镜质量更轻,性能更优。然后,在反射镜结构确定情况下,本文对其支撑结构进行了合理设计。为使结构能够在重力载荷和热力耦合情况下反射镜面形达标,本文选用Whiffle-tree支撑,并设计了一种球铰柱—轴承的中间过度结构,并对各部件赋予合理的结构材料。 在结构确定后,为确定结构性能是否满足设计要求,本文采用有限元软件workbench对结构进行模拟分析,包括面形分析和动力学分析。面形分析中,分别模拟了重力载荷和重力与温度耦合载荷下反射镜的面形变化情况,最后应用Zernike多项式对数据进行了分析处理。而动力学分析包括模态分析、谐响应分析、随机振动分析。各项结果表明,本文设计的反射镜结构满足设计要求。
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