基于音圈促动器的镜面面形校正技术研究

发布时间：2020-10-27 12:06

　　 相较于地基光学望远镜,空间光学望远镜免受大气湍流扰动,在拍摄宇宙空间图像方面具有十分明显的优势。随着对空间望远镜分辨率要求的不断提高,望远镜的口径越做越大。然而,传统的大口径反射镜由于因重力回弹产生过大镜面变形、受空间热环境影响产生离焦像差等现象的出现,面临着非常严苛的运载要求和研制挑战。针对以上问题,可利用主动光学技术实时对反射镜进行面形校正。该技术已成功在地基大口径望远镜及其缩比的主动光学实验系统中应用,因此可基于此进行空间光学望远镜主镜的面形校正技术研究。为了应对微重力及温度变化等工作条件,改善空间望远镜主镜的面形,本文进行了音圈促动器主动支撑系统的镜面面形校正技术研究。通过进行理论分析、讨论不同结构的机械性能和开展数值模拟分析,给出了面形拟合和主动校正求解算法、主动支撑结构以及工况分析结果。研究内容主要分为以下三个部分:(1)基于对模态定标法和Zernike多项式拟合法的比较分析,讨论了这两种常见拟合方法的优缺点及适用场合,确定了采用Zernike基底来拟合面形,最小二乘法求解校正力的方案,并详细推导了面形拟合及主动校正的过程。给出了编程流程和利用Matlab工具进行编程计算得出的Zernike系数和反射镜刚度矩阵。(2)从空间条件和加工工艺出发,确定反射镜支撑系统中的反射镜材料及结构尺寸。对四种定位支撑方案进行具体阐述,设计了背部支撑和侧面支撑两种方案,重点比较了两种支撑下的反射镜面形和系统固有频率,提出反射镜的背部三点支撑方案。基于优化后的主动支撑点数目及排布,并结合国内外常见形式力促动器的结构形式和驱动方式,阐述了音圈式力促动器的设计要点、进行关键元器件选型、引入柔性结构,设计了反射镜支撑系统的整体结构。(3)利用HyperMesh工具建立反射镜模型,分析在不同方向重力和2℃温升工况下的镜面变形以及通过主动校正后的面形改善情况。结果显示,音圈促动器主动支撑系统能将反射镜面形校正至RMS值?/30。分析了引入促动器失效和装配误差后的校正效果,结果显示,单个音圈式力促动器失效后仍能校正反射镜至面形精度?/18,但两个及以上力促动器失效后系统不再具有校正能力,系统引入装配误差校正后的结果为?/20。音圈式力促动器作为非接触式校正器,具有无内在刚度、分辨率高、响应快等优点。且经过音圈式力促动器主动支撑系统校正后,镜面在重力和温度工况下的面形质量显著提高。因此,本文研究验证了基于音圈促动器的镜面面形校正技术的可行性以及提高反射镜面形精度的有效性。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH751
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 课题的背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 主动光学技术的发展概况
        1.2.2 主动光学技术的国内外研究现状
        1.2.3 促动器的发展概况
        1.2.4 促动器的国内外研究现状
    1.3 本文研究的主要内容
    1.4 本章小结
第2章 面形拟合及主动校正理论
    2.1 面形拟合简介
    2.2 面形误差的评价标准
    2.3 反射镜的面形拟合
        2.3.1 Zernike多项式简介
        2.3.2 Zernike多项式面形拟合
        2.3.3 反射镜刚度矩阵与力促动器校正力的求解
    2.4 面形拟合及主动校正流程
    2.5 本章小结
第3章 反射镜支撑系统的设计
    3.1 反射镜相关参数的确定
    3.2 反射镜支撑方案
        3.2.1 侧面支撑方案
        3.2.2 背部支撑方案
        3.2.3 不同支撑方案的分析
    3.3 支撑点的确定与排布
    3.4 力促动器结构
        3.4.1 元器件选型
        3.4.2 柔性结构的引入
        3.4.3 力促动器结构
    3.5 本章小结
第4章 反射镜支撑系统的有限元仿真分析
    4.1 有限元简介
    4.2 重力工况下的镜面变形分析
    4.3 温度工况下的镜面变形分析
    4.4 力促动器失效对校正效果的影响
    4.5 装配误差对校正效果的影响
    4.6 本章小结
第5章 全文总结与展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

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本文编号：2858502