单反式激光通信光端机反射镜组件优化设计
发布时间：2021-10-09 16:47
随着空间光学技术的不断发展,空间激光通信技术作为一种新兴的高速通信手段,在军事侦察以及空间探测等领域都发挥了至关重要的作用。反射镜作为激光通信光端机系统的核心部件,其面形精度对整个光端机的通信质量有着直接影响。反射镜组件是伺服跟踪系统的动负载,其轻量化对于提升伺服系统性能有很大作用,故需要在尽量减重的条件下设计出合理的反射镜组件结构,使其满足整个系统的光学性能要求。本文以单反射镜式激光通信光端机反射镜组件为研究对象,以保证反射镜面形质量的同时减轻组件结构重量为研究目标,对反射镜组件进行了详细优化设计和试验验证。在满足性能指标的前提下减轻组件重量,实现光端机的轻小型化设计,为小卫星空间激光通信提供前提和保障。通过对反射镜组件常用材料的各种属性进行调研,再根据系统的使用环境要求,本文选用微晶玻璃（Zerodur）作为反射镜的材料,铟钢（4J32）作为柔性支撑的材料,钛合金（TC4）作为背部支撑板的材料。反射镜截面形状设计为锥形后表面轻量化轮廓形式结构,根据反射镜结构特点及空间尺寸限制,设计反射镜的支撑方式为中心支撑,利用灵敏度分析和参数优化方法对反射镜关键尺寸进行了优化设计。结合反射镜组件...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SNAP整体结构布局图
课?30kg[6]。镜体采用三角形孔的轻量化形式，采用“后封闭”结构，结构形式如图1.1所示。主反射镜的支撑形式为重力卸载的结构形式，利用三组Bipod支撑来实现主镜的空间定位，支撑结构如图1.2所示。当设施在轨工作时，三组Bipod支撑脚能够精确定位反射镜并保证其面形精度要求，在地面加工及装调阶段，由于在重力环境下，镜体将产生表面形状变化，因此，主反射镜表面加工，以及组装和检测阶段96个卸载机构的调整用于模拟在轨道零重力环境。面形精度RMS值由FEM计算可以达到8.8nm的精度值[7]。图1.1SNAP整体结构布局图图1.2SNAP主反射镜支撑结构2）SOFIA（StratosphericObservatoryforInfraredAstronomy）望远镜及支撑同温层红外天文观测台简称SOFIA望远镜，是美国航空航天局与德国航空航天中心在2010年合作建造的。整个望远镜系统安装在一架经改装的波音747SP宽体飞机的后机身上，用在同温层海拔高度约12000米的天文观测中。光学系统设计为抛物面主镜和双曲面二次镜的卡塞格林反射式结构，SOFIA主镜直径为Φ2705mm，中心孔径为Φ420mm，镜体厚350mm，主镜材料采用微晶玻璃，主镜结构如图1.3所示。主镜的背部形状为半封闭式六边形蜂窝结构，采用加工成型的方法制造，轻量化形式为斜边减重。轻量化后的镜体质量为885kg，轻量化率达到80%左右，动态刚度分析结果为一阶固有频率约为240Hz[8]。主反射镜的支撑方式为六点侧向支撑和十八点轴向whiffletree支撑，如图1.4所示。每个支撑点处的载荷都会通过柔性支撑转移或抵消，碳纤维复合材料的面板与铟
钢、钛态刚度3A地745通光孔望远镜故容易Bipod镜有着为50″量级[14空2025年700kg[钛合金材料的度。组装完成图）日本ASSTRO-F望5km的太阳孔径685mm镜的材料选易做轻量化设支撑，为着空间分辨率；灵敏度与1]。）SPICA主空间红外望远年发射到距[12]。系统中的外框通过成后的反射1.3SOFIA望TRO-F望远望远镜，系阳同步轨道上m，镜体重用了碳化硅设计，该反了满足反射率高、灵敏与1983年发主反射镜及远镜（SPIC距离地球1.5中反射镜由过胶结连接组镜系统质量望远镜主反射远镜及支撑统质量952上运行，主11kg，如图硅（SiC），反射镜镜体采射镜的热稳度高的优点发射的世界图1.5ASTR支撑CA），是日5×10km地12块SiC3组成支撑结量为2060kg射镜撑2kg，外型尺主要用于红图1.5所示由于这种材采用三角形定性，连接点，空间分辨第1颗红外RO-F主镜背日本与ESA-日系统的反射镜片焊结构，能够使g，—阶自由图尺寸为2.02外观测。主示[10]。为了减材料具有较形孔的轻量化接件的材料辨率在50~1外天文卫星背部支撑结构联合研制的的第二拉格焊接而成，使反射镜具由模态特征频1.4主反射镜26m×1.88m主反射镜口减少望远镜较高的弹性模化形式，支料采用铟钢。110μm为30IRAS相比构的红外天文格朗日点，系口径为Φ3具有足够高频率约为7镜支撑结构m×3.675m径710mm镜系统的总质模量和热传支撑方式采用。ASTRO-F0″,在110~比提高了1~文望远镜，计系统总重量不.2m，选用的动静0Hz[9]。，在距，有效质量，传导率，用三个
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FSM的Z型薄片式柔性结构力学性能分析[J]. 张超,于洵,马群,陶禹. 红外技术. 2019(02)
[2]空间激光通信最新进展与发展趋势[J]. 高铎瑞,李天伦,孙悦,汪伟,胡辉,孟佳成,郑运强,谢小平. 中国光学. 2018(06)
[3]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)
[4]GEO激光通信系统主镜组件优化设计[J]. 刘伟达,孟立新,张树仁,张立中. 红外与激光工程. 2016(12)
[5]试论空间激光通信技术最新进展与趋势[J]. 任航宇. 中国新通信. 2016(22)
[6]国际空间站站载设备的热环境分析[J]. 谢敏,高建民,杜谦,吴少华,秦裕琨. 哈尔滨工业大学学报. 2016(10)
[7]视频空间相机Φ330mm口径主镜组件设计[J]. 李宗轩,邢利娜,解鹏. 光子学报. 2016(07)
[8]Whiffletree结构中的柔节设计[J]. 王克军,董吉洪,宣明,张缓缓,张立浩,孙丽军. 长春理工大学学报(自然科学版). 2015(04)
[9]超轻量化SiC反射镜的制备及性能[J]. 董斌超,张舸. 光学精密工程. 2015(08)
[10]多输入多输出正弦扫频试验控制新方法[J]. 张步云,陈怀海,贺旭东. 振动与冲击. 2015(08)
博士论文
[1]超轻碳纤维反射镜及支撑技术研究[D]. 左玉弟.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) 2018
[2]基于拓扑优化的空间反射镜与柔性支撑结构设计方法[D]. 胡瑞.大连理工大学 2017
[3]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
[4]同轴三反空间相机结构稳定性研究[D]. 郭权锋.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012
[5]大口径望远镜系统建模及仿真分析研究[D]. 周超.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
硕士论文
[1]航空相机地物反射镜结构设计与分析[D]. 邵毓.吉林大学 2017
[2]航天器形状记忆合金结构振动实验设计与系统辨识[D]. 刘百明.沈阳航空航天大学 2017
[3]视频相机反射镜组件结构设计及其胶结工艺研究[D]. 郭骏立.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[4]电液仿真转台谐振抑制方法的研究[D]. 张哲.哈尔滨工业大学 2014
[5]反射镜支撑结构设计与分析[D]. 严从林.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[6]空间光谱仪光栅支撑定位技术研究[D]. 刘齐民.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2013
[7]低轨卫星用激光通信粗跟踪转台研究[D]. 孙鹤源.长春理工大学 2012
[8]面形精度评价方法研究[D]. 戴斌飞.苏州大学 2005
本文编号：3426732
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SNAP整体结构布局图
课?30kg[6]。镜体采用三角形孔的轻量化形式，采用“后封闭”结构，结构形式如图1.1所示。主反射镜的支撑形式为重力卸载的结构形式，利用三组Bipod支撑来实现主镜的空间定位，支撑结构如图1.2所示。当设施在轨工作时，三组Bipod支撑脚能够精确定位反射镜并保证其面形精度要求，在地面加工及装调阶段，由于在重力环境下，镜体将产生表面形状变化，因此，主反射镜表面加工，以及组装和检测阶段96个卸载机构的调整用于模拟在轨道零重力环境。面形精度RMS值由FEM计算可以达到8.8nm的精度值[7]。图1.1SNAP整体结构布局图图1.2SNAP主反射镜支撑结构2）SOFIA（StratosphericObservatoryforInfraredAstronomy）望远镜及支撑同温层红外天文观测台简称SOFIA望远镜，是美国航空航天局与德国航空航天中心在2010年合作建造的。整个望远镜系统安装在一架经改装的波音747SP宽体飞机的后机身上，用在同温层海拔高度约12000米的天文观测中。光学系统设计为抛物面主镜和双曲面二次镜的卡塞格林反射式结构，SOFIA主镜直径为Φ2705mm，中心孔径为Φ420mm，镜体厚350mm，主镜材料采用微晶玻璃，主镜结构如图1.3所示。主镜的背部形状为半封闭式六边形蜂窝结构，采用加工成型的方法制造，轻量化形式为斜边减重。轻量化后的镜体质量为885kg，轻量化率达到80%左右，动态刚度分析结果为一阶固有频率约为240Hz[8]。主反射镜的支撑方式为六点侧向支撑和十八点轴向whiffletree支撑，如图1.4所示。每个支撑点处的载荷都会通过柔性支撑转移或抵消，碳纤维复合材料的面板与铟
钢、钛态刚度3A地745通光孔望远镜故容易Bipod镜有着为50″量级[14空2025年700kg[钛合金材料的度。组装完成图）日本ASSTRO-F望5km的太阳孔径685mm镜的材料选易做轻量化设支撑，为着空间分辨率；灵敏度与1]。）SPICA主空间红外望远年发射到距[12]。系统中的外框通过成后的反射1.3SOFIA望TRO-F望远望远镜，系阳同步轨道上m，镜体重用了碳化硅设计，该反了满足反射率高、灵敏与1983年发主反射镜及远镜（SPIC距离地球1.5中反射镜由过胶结连接组镜系统质量望远镜主反射远镜及支撑统质量952上运行，主11kg，如图硅（SiC），反射镜镜体采射镜的热稳度高的优点发射的世界图1.5ASTR支撑CA），是日5×10km地12块SiC3组成支撑结量为2060kg射镜撑2kg，外型尺主要用于红图1.5所示由于这种材采用三角形定性，连接点，空间分辨第1颗红外RO-F主镜背日本与ESA-日系统的反射镜片焊结构，能够使g，—阶自由图尺寸为2.02外观测。主示[10]。为了减材料具有较形孔的轻量化接件的材料辨率在50~1外天文卫星背部支撑结构联合研制的的第二拉格焊接而成，使反射镜具由模态特征频1.4主反射镜26m×1.88m主反射镜口减少望远镜较高的弹性模化形式，支料采用铟钢。110μm为30IRAS相比构的红外天文格朗日点，系口径为Φ3具有足够高频率约为7镜支撑结构m×3.675m径710mm镜系统的总质模量和热传支撑方式采用。ASTRO-F0″,在110~比提高了1~文望远镜，计系统总重量不.2m，选用的动静0Hz[9]。，在距，有效质量，传导率，用三个
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FSM的Z型薄片式柔性结构力学性能分析[J]. 张超,于洵,马群,陶禹. 红外技术. 2019(02)
[2]空间激光通信最新进展与发展趋势[J]. 高铎瑞,李天伦,孙悦,汪伟,胡辉,孟佳成,郑运强,谢小平. 中国光学. 2018(06)
[3]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)
[4]GEO激光通信系统主镜组件优化设计[J]. 刘伟达,孟立新,张树仁,张立中. 红外与激光工程. 2016(12)
[5]试论空间激光通信技术最新进展与趋势[J]. 任航宇. 中国新通信. 2016(22)
[6]国际空间站站载设备的热环境分析[J]. 谢敏,高建民,杜谦,吴少华,秦裕琨. 哈尔滨工业大学学报. 2016(10)
[7]视频空间相机Φ330mm口径主镜组件设计[J]. 李宗轩,邢利娜,解鹏. 光子学报. 2016(07)
[8]Whiffletree结构中的柔节设计[J]. 王克军,董吉洪,宣明,张缓缓,张立浩,孙丽军. 长春理工大学学报(自然科学版). 2015(04)
[9]超轻量化SiC反射镜的制备及性能[J]. 董斌超,张舸. 光学精密工程. 2015(08)
[10]多输入多输出正弦扫频试验控制新方法[J]. 张步云,陈怀海,贺旭东. 振动与冲击. 2015(08)
博士论文
[1]超轻碳纤维反射镜及支撑技术研究[D]. 左玉弟.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) 2018
[2]基于拓扑优化的空间反射镜与柔性支撑结构设计方法[D]. 胡瑞.大连理工大学 2017
[3]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
[4]同轴三反空间相机结构稳定性研究[D]. 郭权锋.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012
[5]大口径望远镜系统建模及仿真分析研究[D]. 周超.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
硕士论文
[1]航空相机地物反射镜结构设计与分析[D]. 邵毓.吉林大学 2017
[2]航天器形状记忆合金结构振动实验设计与系统辨识[D]. 刘百明.沈阳航空航天大学 2017
[3]视频相机反射镜组件结构设计及其胶结工艺研究[D]. 郭骏立.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[4]电液仿真转台谐振抑制方法的研究[D]. 张哲.哈尔滨工业大学 2014
[5]反射镜支撑结构设计与分析[D]. 严从林.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[6]空间光谱仪光栅支撑定位技术研究[D]. 刘齐民.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2013
[7]低轨卫星用激光通信粗跟踪转台研究[D]. 孙鹤源.长春理工大学 2012
[8]面形精度评价方法研究[D]. 戴斌飞.苏州大学 2005
本文编号：3426732
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