大型空间相机出瞳镜精密调整结构设计与分析

发布时间：2017-12-07 18:08

  本文关键词：大型空间相机出瞳镜精密调整结构设计与分析

  更多相关文章： 空间相机 出瞳调整结构 变形镜 重力变形 热变形 柔性结构 空间环境适应性 像差校正能力

【摘要】：随着空间技术的不断进步,空间相机在国民经济中所发挥的作用日益重要,大视场、高分辨率已经成为现代空间相机的发展方向。传统的轻量化非球面反射镜由于自重变形大、温度稳定性差等问题,会向系统内引入较大的波像差,从而限制空间相机分辨率的提高,如何校正大口径主镜的波像差是发展高分辨率空间相机的核心问题之一。基于主动光学原理的变形镜技术,可以对系统内发生畸变的波前进行充分的校正,有效地提升光学系统的成像质量,在大口径空间相机中拥有广阔的应用前景。为了校正高分辨率空间相机中由大口径主镜引入的波像差,可以将变形镜装置应用到空间相机的出瞳调整结构中,通过对出瞳镜面形的精确控制,来补偿系统内的波前畸变。出瞳镜精密调整结构自身性能的优劣将会直接影响到出瞳镜的像差校正能力,是提升空间相机分辨率的关键,其设计问题则是高分辨率空间相机在研制过程中的核心问题之一。特殊而复杂的空间工作环境要求出瞳镜精密调整结构具有良好的空间环境适应性。为了能够应对微重力环境、变化的温度场和粒子辐照等恶劣的工作条件,出瞳调整结构必须在保证出瞳镜具有优良的面形质量和像差校正能力的前提下,具有良好的温度适应性和动、静力学特性。本文讨论了大型空间相机出瞳镜精密调整结构的设计问题,比较了不同结构的机械性能,对影响出瞳镜校正能力的主要因素展开了研究,设计出一种结构紧凑、简单可靠、性能优良的出瞳镜精密调整结构。本文的研究内容可以主要概括为以下几点:1,阐述出瞳镜精密调整结构的结构组成。结合两种常见空间相机的成像特点,讨论了出瞳调整结构的应用场合,描述其在空间相机中的位置。从理论上,推导了出瞳调整结构的数学原理和工作过程,为出瞳调整结构的应用打下基础。给出空间相机用出瞳调整结构的具体设计准则,从众多结构形式的变形镜中通过比较,选择了连续镜面分立促动器式变形镜作为出瞳镜精密调整结构的最佳形式,给出该形式变形镜的结构组成以及各部分的设计要点。2,给出出瞳镜精密调整结构的具体设计过程。阐述了反射镜、促动器组件、支撑底座、装埋件等主要结构的设计思路,提出筋板式结构和实体式结构两种支撑底座,从加工工艺和空间环境适应性出发,确定了各主要零件的材料组合。本文设计的出瞳精密调整结构布局紧凑,采用的元件个数较少,系统可靠性高,为接下来的研究和优化提供了坚实的基础。3,对影响出瞳调整结构工作性能的诸多因素进行分析,并对出瞳调整结构进行优化。运用有限元方法,建立相应的结构模型,模拟空间工作环境,进行了仿真分析,掌握了出瞳镜精密调整结构的力学性能和热稳定性等特征。讨论了应该重点考察的工况,以及如何模拟空间工况的问题。从动、静力学特性和温度适应性等角度,对比了两种不同结构形式的支撑底座,并参考空间反射镜的支撑方法,研究了不同支撑方案对调整结构的影响,确定采用CFRP制作的实体式支撑底座、并结合背部三点支撑是出瞳镜精密调整结构的最佳支撑方案。指出了柔性结构在出瞳镜精密调整结构的设计过程中所发挥的重要作用,参考了多种空间相机中常用的柔性结构,向调整结构中的关键部件,如促动器底座、推杆,合理地引入了柔性结构,从而提高了其空间环境适应性。4,研究了该结构的空间环境适应性和像差校正能力。利用该结构对典型工况(包括各向重力和温升工况)下的出瞳镜变形进行展平实验,获得展平后的结果近似于标准平面。使用该出瞳镜精密调整结构对前36阶泽尼克多项式对应的基元波面进行拟合,获得的残差均较小,从而说明该调整结构可以对中、低阶像差进行有效地校正,其像差校正能力能够满足空间相机的使用要求。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V445.8

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