大口径反射镜组件拓扑结构优化设计
发布时间：2021-03-11 09:19
随着空间观测卫星精度需求的不断提高,空间光学遥感器的分辨率需求也越来越高,反射镜的口径也越来越大,反射镜面形受真空、重力释放、振动和热循环等条件的影响也会变大。因此对于高精度大口径反射镜,镜体的高轻量化以及稳定可靠的支撑结构是提高太空光学系统观测能力的关键。本课题针对1m某大口径反射镜,对反射镜镜体、支撑方式、支撑结构进行了研究。根据某光学系统中主反射镜的相关参数与设计指标要求,结合传统设计方法,选择背部开放式为轻量化的基本形式,选择三角形轻量化孔结构。为实现反射镜的高轻量化,采用拓扑优化方法,将反射镜密度作为设计变量,以反射镜基频作为优化目标,面形RMS值与质量作为约束条件对反射镜进行优化设计,最终得到反射镜重量为40.4kg,镜面面形为0.001λ,与传统优化方式对比,拓扑优化方法更具有优势,轻量化率可达81%。本文对反射镜支撑结构进行了研究,最终采用背部六点支撑的方式设计了一种轻小型柔性支撑结构。设计时利用有限元手段为保证最优镜面面形对支撑点位置进行了优化;为减小反射镜组件间的热应力,设计了一种柔性环节,并通过有限元进行了验证。利用有限元软件对组件进行仿真分析,静力学结果表明:反...
【文章来源】：北华航天工业学院河北省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
某望远系统角分辨率与口径的关系[2]
北华航天工业学院硕士学位论文3南京某所成功研制了由K4玻璃制造，口径为770mm的大口径反射镜[4]；成都光电所使用微晶玻璃材料研制了口径为1.2m，厚度为50mm的反射镜，并对支撑方式进行了调整，另外该研究所还对口径1.8m的望远镜的设计进行了研究[5]。图1.2Hubble空间望远镜主镜（2）第二代为金属材料，主要代表有铍、铝、铜等。该材料的主要代表有德国空间中心资助研发的口径为116mm×116mm的Korsch反射镜，该镜采用6061-T6铝合金，镜面加工后面形RMS值为70nm，PV值为386nm[6]。KittPeak国家天文台Mayall望远镜上的IRMOS探测器次镜口径为284mm×264mm，材料为6061-T651。曹银花等人设计的Cassegrain系统中的金属主镜，镜面加工后面形PV值约为500nm，表面粗糙度优于10nm。（3）第三代为玻璃陶瓷：SiC等。碳化硅材料因为其自身优越的物理性能与热性能已逐渐成为主流材料，具有代表性的反射镜有口径1.5m的Gregor太阳望远镜主镜[7]；由欧洲宇航局研制成功的直径为3.5m的赫歇尔红外空间望远镜主镜；1.5m×0.56m的GAIA天体探测卫星的主镜[8]以及俄罗斯空间光学研究院(S.IVavilovStateOpticalInstitude)制备的某望远镜的反射镜[9]，图1.3为中科院长光所于2018年成功研制了口径为4.03米的碳化硅非球面反射镜，该反射镜是目前世界上最大的主反射镜；长光所与中科院分别通过采用不同技术制备SiC来制作大口径反射镜[10]。
大口径反射镜组件拓扑结构优化设计4图1.34.03米碳化硅非球面反射镜（4）最新一代材料目前正在研究当中，主要是指铝基碳化硅以及有机复合材料。近年来，世界各国相继发展了不同类型的陶瓷制造工艺，通常致力于开发具有高刚度、低质量、高机械稳定和高各向同性的材料。由于碳化硅陶瓷固有的脆性和在加工过程中收缩的趋势，碳化硅制成的硬件结构复杂性低，因此正在致力于研制更优质的材料。美国等发达国家已率先对该材料进行研制，目前的主要成果有欧美国家使用复合材料成功研制了口径为1m的反射镜；俄罗斯采用C/C加过渡层技术以及其它多种新型复合材料研制了口径1m的轻型大口径反射镜[11]，除此之外，还有很多国家正在致力于新型材料的开发制备，推动反射镜轻量化的进步与发展。由此可见反射镜的材料发展经历了四代，目前被广泛使用的材料为SiC，复合材料以它优良的特性正在逐渐发展，并将会成为主流材料。1.2.1.2反射镜镜体结构研究现状反射镜镜体轻量化形式有多种：钻盲孔、后背开放式、蜂窝夹层式。其中钻盲孔方式应用最为广泛。盲孔是轻量化形式中最简单，最方便加工的方式，主要有圆形、正六边形，正四边形，三角形等多种形状，大量的研究人员对反射镜轻量化的盲孔形状进行了研究，比较了不同的盲孔结构对主镜刚度的影响。美国Barnes借助有限元分析软件，以直径1620mm、厚度305mm的轻量化反射镜作为研究对象,在周边支撑方式前提下，分析了在三角形、四边形、六边形轻量化孔等几种开孔形式反射镜在特定工况下的镜面面形[12]；Maser和Soosaar[13]，Barnes[14]，Sheng[15]，Richard[16]等人分别针对不同材料，不同口径，不同厚度的模型，研究了几种轻量化孔对主镜刚度的影响，得到了不同的研究结果。学者们指出轻量化孔的几何形状对主镜结构的
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间引力波望远镜主镜组件的结构设计[J]. 李钰鹏,王智,沙巍,吴清文,赵亚. 红外与激光工程. 2018(08)
[2]大口径空间反射镜轻量化设计及其柔性支撑[J]. 李慎华,关英俊,辛宏伟,袁野,李志来. 激光与红外. 2017(11)
[3]空间相机光学件用XM23胶的杨氏模量测定和选用[J]. 高超,罗世魁,陈芳,史姣红. 航天返回与遥感. 2017(02)
[4]大口径胶粘主镜装调的有限元分析[J]. 陆玉婷,王伟之. 航天返回与遥感. 2017(01)
[5]超大口径空间光学遥感器的应用和发展[J]. 张学军,樊延超,鲍赫,薛栋林. 光学精密工程. 2016(11)
[6]机载红外系统主反射镜的拓扑优化设计[J]. 李蕾,张葆,李全超. 红外技术. 2016(08)
[7]空间遥感器反射镜组件的设计与有限元分析[J]. 孙宝龙,董吉洪,薛闯,张缓缓,孙丽军,张立浩. 长春理工大学学报(自然科学版). 2016(04)
[8]空间光学遥感器主镜柔性支撑的参数化设计[J]. 胡佳宁,董吉洪,周平伟. 光学学报. 2016(11)
[9]大口径铝合金主反射镜设计与分析[J]. 李全超,李蕾,谭淞年,张洪伟. 应用光学. 2016(03)
[10]空间相机大口径反射镜轻量化技术及应用[J]. 伞兵,李景林,孙斌. 红外与激光工程. 2015(10)
博士论文
[1]2m量级空间反射镜组件设计与优化[D]. 王书新.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
硕士论文
[1]空间反射镜加强结构的多目标拓扑结构轻量化设计[D]. 李书亚.燕山大学 2017
[2]空间大口径反射镜优化设计及其支撑技术研究[D]. 王超.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
本文编号：3076242
【文章来源】：北华航天工业学院河北省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
某望远系统角分辨率与口径的关系[2]
北华航天工业学院硕士学位论文3南京某所成功研制了由K4玻璃制造，口径为770mm的大口径反射镜[4]；成都光电所使用微晶玻璃材料研制了口径为1.2m，厚度为50mm的反射镜，并对支撑方式进行了调整，另外该研究所还对口径1.8m的望远镜的设计进行了研究[5]。图1.2Hubble空间望远镜主镜（2）第二代为金属材料，主要代表有铍、铝、铜等。该材料的主要代表有德国空间中心资助研发的口径为116mm×116mm的Korsch反射镜，该镜采用6061-T6铝合金，镜面加工后面形RMS值为70nm，PV值为386nm[6]。KittPeak国家天文台Mayall望远镜上的IRMOS探测器次镜口径为284mm×264mm，材料为6061-T651。曹银花等人设计的Cassegrain系统中的金属主镜，镜面加工后面形PV值约为500nm，表面粗糙度优于10nm。（3）第三代为玻璃陶瓷：SiC等。碳化硅材料因为其自身优越的物理性能与热性能已逐渐成为主流材料，具有代表性的反射镜有口径1.5m的Gregor太阳望远镜主镜[7]；由欧洲宇航局研制成功的直径为3.5m的赫歇尔红外空间望远镜主镜；1.5m×0.56m的GAIA天体探测卫星的主镜[8]以及俄罗斯空间光学研究院(S.IVavilovStateOpticalInstitude)制备的某望远镜的反射镜[9]，图1.3为中科院长光所于2018年成功研制了口径为4.03米的碳化硅非球面反射镜，该反射镜是目前世界上最大的主反射镜；长光所与中科院分别通过采用不同技术制备SiC来制作大口径反射镜[10]。
大口径反射镜组件拓扑结构优化设计4图1.34.03米碳化硅非球面反射镜（4）最新一代材料目前正在研究当中，主要是指铝基碳化硅以及有机复合材料。近年来，世界各国相继发展了不同类型的陶瓷制造工艺，通常致力于开发具有高刚度、低质量、高机械稳定和高各向同性的材料。由于碳化硅陶瓷固有的脆性和在加工过程中收缩的趋势，碳化硅制成的硬件结构复杂性低，因此正在致力于研制更优质的材料。美国等发达国家已率先对该材料进行研制，目前的主要成果有欧美国家使用复合材料成功研制了口径为1m的反射镜；俄罗斯采用C/C加过渡层技术以及其它多种新型复合材料研制了口径1m的轻型大口径反射镜[11]，除此之外，还有很多国家正在致力于新型材料的开发制备，推动反射镜轻量化的进步与发展。由此可见反射镜的材料发展经历了四代，目前被广泛使用的材料为SiC，复合材料以它优良的特性正在逐渐发展，并将会成为主流材料。1.2.1.2反射镜镜体结构研究现状反射镜镜体轻量化形式有多种：钻盲孔、后背开放式、蜂窝夹层式。其中钻盲孔方式应用最为广泛。盲孔是轻量化形式中最简单，最方便加工的方式，主要有圆形、正六边形，正四边形，三角形等多种形状，大量的研究人员对反射镜轻量化的盲孔形状进行了研究，比较了不同的盲孔结构对主镜刚度的影响。美国Barnes借助有限元分析软件，以直径1620mm、厚度305mm的轻量化反射镜作为研究对象,在周边支撑方式前提下，分析了在三角形、四边形、六边形轻量化孔等几种开孔形式反射镜在特定工况下的镜面面形[12]；Maser和Soosaar[13]，Barnes[14]，Sheng[15]，Richard[16]等人分别针对不同材料，不同口径，不同厚度的模型，研究了几种轻量化孔对主镜刚度的影响，得到了不同的研究结果。学者们指出轻量化孔的几何形状对主镜结构的
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间引力波望远镜主镜组件的结构设计[J]. 李钰鹏,王智,沙巍,吴清文,赵亚. 红外与激光工程. 2018(08)
[2]大口径空间反射镜轻量化设计及其柔性支撑[J]. 李慎华,关英俊,辛宏伟,袁野,李志来. 激光与红外. 2017(11)
[3]空间相机光学件用XM23胶的杨氏模量测定和选用[J]. 高超,罗世魁,陈芳,史姣红. 航天返回与遥感. 2017(02)
[4]大口径胶粘主镜装调的有限元分析[J]. 陆玉婷,王伟之. 航天返回与遥感. 2017(01)
[5]超大口径空间光学遥感器的应用和发展[J]. 张学军,樊延超,鲍赫,薛栋林. 光学精密工程. 2016(11)
[6]机载红外系统主反射镜的拓扑优化设计[J]. 李蕾,张葆,李全超. 红外技术. 2016(08)
[7]空间遥感器反射镜组件的设计与有限元分析[J]. 孙宝龙,董吉洪,薛闯,张缓缓,孙丽军,张立浩. 长春理工大学学报(自然科学版). 2016(04)
[8]空间光学遥感器主镜柔性支撑的参数化设计[J]. 胡佳宁,董吉洪,周平伟. 光学学报. 2016(11)
[9]大口径铝合金主反射镜设计与分析[J]. 李全超,李蕾,谭淞年,张洪伟. 应用光学. 2016(03)
[10]空间相机大口径反射镜轻量化技术及应用[J]. 伞兵,李景林,孙斌. 红外与激光工程. 2015(10)
博士论文
[1]2m量级空间反射镜组件设计与优化[D]. 王书新.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
硕士论文
[1]空间反射镜加强结构的多目标拓扑结构轻量化设计[D]. 李书亚.燕山大学 2017
[2]空间大口径反射镜优化设计及其支撑技术研究[D]. 王超.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
本文编号：3076242
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