空间太阳望远镜桁架式前置结构光机集成仿真技术研究

发布时间：2020-06-22 02:36

【摘要】：区别于常规的光学有效载荷,空间太阳望远镜直接对太阳进行成像,其面临的空间热力环境更为苛刻。望远镜桁架式前置结构为整个空间太阳望远镜结构系统的重要组件,其变化对望远镜性能影响显著,且更易受到外部载荷的影响;例如,主镜吸收太阳热量,主镜热变形将对望远镜系统像质产生影响;主桁架作为望远镜的关键承力组件,其结构变形也将导致主镜和准直镜相对位置变化,而使更多热量进入后续光学系统,使望远镜后续组件的热控变得困难。光机集成仿真技术作为一种多学科、系统级的仿真技术方法,使得光机系统在外部热力载荷作用下,对光学性能的影响评价变为现实。鉴于桁架式前置结构对整个空间太阳望远镜系统的重要性,且自身容易受到外部环境载荷影响,需进行外部载荷作用下的光学性能评估,而光机集成仿真技术又可系统的解决外部影响对光机系统光学性能评价问题。本文将两者结合,对空间太阳望远镜桁架式前置结构光机集成仿真技术进行研究,以探讨空间太阳望远镜结构及其环境适应性设计,也为我国大口径高分辨率空间太阳望远镜研制做好技术储备。空间太阳望远镜桁架式前置结构光机集成仿真技术研究包括以下方面内容:(1)在概述国内外天基、地基太阳望远镜基础上,说明了太阳观测的意义和进行相关技术研究的必要性;针对空间太阳望远镜桁架式前置结构对整个望远镜性能的影响及空间太阳望远镜仿真技术研究现状,提出了空间太阳望远镜桁架式前置结构光机集成仿真技术研究课题。(2)对光学面形畸变及刚体位移参数的计算方法进行了研究,此内容也是光机集成分析的基础。针对传统光学面形参数计算精度不足问题,提出了光学面形有限元离散误差概念,对基于离散误差消除技术的光学面形参数高精度计算方法进行了研究。为提高抛物面主镜面形参数的计算精度,提出了一种新的抛物面主镜面形参数计算数学模型,在对数学模型计算方法研究基础上,开发了高精度抛物面面形参数计算程序。(3)对光机集成仿真涉及的技术及理论进行了研究,包括了几种常用的拟合多项式,节点有限元位移到面形变化拟合参量的数据转换算法,光学面形多项式拟合算法等。此外,对光学面形离散点云的边界检测技术进行了研究与探讨,并将其应用于面形光机集成仿真数据前处理模块中,为光学面形数据处理方法提供了新的技术参考。在对光机集成仿真核心算法研究的基础上,开发了通用的光机集成仿真接口程序ISInterface,并对程序的正确性进行了测试,为光机系统光机集成仿真提供了技术支持。(4)进行了空间太阳望远镜桁架式前置结构设计,包括:望远镜主镜、主镜柔性支撑结构及主桁架结构,也为仿真技术研究亦提供了载体模型;此外,也对主镜、主桁架等结构的有限元建模方法进行了讨论。(5)利用相关分析计算方法及程序,对主镜与主桁架的热力特性进行了分析。分析结果表明:主镜柔性支撑结构可提高主镜的温度适应性,降低主镜热控难度;相比碳化硅主镜,玻璃材料主镜的温度适应性更好,对于空间太阳望远镜,线涨系数小的玻璃材料仍是主镜材料首选。此外,基于主镜与准直镜组件的相对位置变化与主桁架的模态分析结果,得到碳纤维材料桁架的温度特性与刚度够满足空间太阳望远镜系统对主桁架的设计需求。(6)对前置结构的光机集成仿真技术流程及实现进行了研究,利用光机集成仿真技术对前置结构变化,对望远镜系统性能的影响进行了分析。基于集成仿真分析数据,优化了主镜及其支撑结构设计;得到了温度变化对系统参数的影响曲线,掌握了前置结构温变对系统性能的影响,为望远镜结构与热控设计提供了数据参考。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH753.1
【图文】：

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图 1-1 NST 及其拍摄的高清太阳黑子图片另外，美国建设中的直径 4 米的高科技太阳望远镜（ATST）[4～6]，位于夏威夷毛伊岛，海拔 3000 米的 Haleakala 峰上；它将是世界上最强大的太阳望远镜，也将是研究太阳磁场的主要地基望远镜，计划将在 2017 年建成；其采用了口径 4m 的离轴主镜结构形式，可以覆盖 300～3000nm 的光谱范围，可以观察太阳表面 20Km 太阳尺度细节，可见光波段的角分辨率可 0.03″。在欧洲，为推动太阳物理研究与发展，多个欧洲国家参与建设的大口径欧洲太阳望远镜（EST）项目研制工作也已经启动，EST 主镜有效口径也将达 4m，其科学目标与 ATST 相近[7]。

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图 1-1 NST 及其拍摄的高清太阳黑子图片建设中的直径 4 米的高科技太阳望远镜（ATST）[4～6]，000 米的 Haleakala 峰上；它将是世界上最强大的太阳望远主要地基望远镜，计划将在 2017 年建成；其采用了口径可以覆盖 300～3000nm 的光谱范围，可以观察太阳表面光波段的角分辨率可 0.03″。在欧洲，为推动太阳物理研与建设的大口径欧洲太阳望远镜（EST）项目研制工作径也将达 4m，其科学目标与 ATST 相近[7]。

【参考文献】