空间望远镜稳像系统动力学关键技术研究

发布时间：2017-08-03 09:36

  本文关键词：空间望远镜稳像系统动力学关键技术研究

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【摘要】：随着科学的发展以及对自身认知水平的不断提高,人类对于天文观测需求愈发迫切。目前空间天文望远镜均布置在空间平台上,由于空间平台工作环境复杂,平台的姿态变换,太阳能帆板的颤振,空间制冷机工作扰动等对空间望远镜的成像质量产生明显影响,造成图像模糊,失真等,大大降低了空间望远镜的成像精度。为了充分提高空间天文望远镜观测精度,最大程度的接近衍射极限,需要对空间平台振动进行抑制,采取稳像措施,达到高精度成像的要求。针对空间望远镜稳像动力学关键技术进行研究,在完成调研国内外望远镜稳像系统动力学技术发展的基础上,根据系统稳像需求,提出了本研究所采用的振动隔离与精密稳像结合的望远镜稳像系统动力学方案。分析了稳像系统相关的隔振分系统和精密稳像分系统,完成了动力学研究以及系统初步设计,通过实验室模拟望远镜系统完成了验证分析。分析空间天文望远镜系统在外部干扰与内部扰动抑制残余共同作用下,通过隔振系统、精密稳像系统协同工作,实现稳像性能要求以及进行补偿与精度检测的技术,用理论分析与实验验证的方法,实现研究目标。针对课题研究目标建立了一套空间望远镜稳像系统动力学模型,完成了望远镜系统模型的振动响应分析。针对空间平台中高频(10Hz以上)微振动干扰,设计了一套隔振系统,并通过仿真分析的方法验证了隔振系统的工作性能。针对空间低频(10Hz以下)振动干扰,设计了一套精密稳像系统动力学样机,采用仿真分析与试验验证的方法设计了大口径快摆镜机构;建立了实验室稳像验证系统,通过模拟空间望远镜在微振动环境下的状态响应来验证稳像系统的可行性,为后续稳像系统工程化奠定了坚实的预先研究基础。论文的主要创新点在于:1)针对未来空间平台的大口径望远镜稳像系统动力学问题进行预先研究,采用集成模型法分析望远镜系统微振动扰动下的像移响应和隔振性能分析,计算出空间平台26.4″的微振动环境。提出了隔振系统与精密稳像系统共同作用的稳像方案,并根据扰动频率确定了隔振系统与精密稳像系统的工作范围。为未来更多的空间稳像系统提供前期的技术支持。2)研究设计一种大口径(330×340mm)快摆镜,快摆镜运动分辨率达到角秒量级,同时发明一种能够应用于精密稳像系统的八铰同轴柔性微位移机构,通过响应面法优化设计方案,确定机构的设计参数。该机构分辨率达到纳米量级,位移输出线性度良好,同时保证作动机构不受剪切应力,最终设计完成的快摆镜口径为330×340mm,最大行程为64″,位移分辨率为0.013″,基频高于100Hz,系统静态精度误差为5%,满足快摆镜的设计指标要求。3)搭建了空间望远镜在轨工作的实验室模拟系统,利用平行光管模拟主光学系统,激光模拟星光,采用自准直系统方案等效高精度空间望远镜在轨工作状态。在10Hz扰动频率下,通过高精度的振动检测设备进行稳像系统动力学验证,在10Hz以上隔振性能为100dB以上;完成基于像移统计特性的测试评价标准,其中实验测试得出实验室环境背景微振动为0.0125″,快摆镜系统在10Hz驱动时动态响应误差为1.2%,满足10Hz精密稳像系统补偿带宽。该模拟系统解决了高精度、大口径空间望远镜试验验证难题。
【关键词】：空间望远镜 稳像系统 隔振 精密稳像 动力学模型
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH751
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 1 课题研究背景及方法13-23
• 1.1 课题研究意义13-14
• 1.2 国内外稳像动力学技术的研究进展14-19
• 1.2.1 同温层红外天文台望远镜稳像系统14-16
• 1.2.2 詹姆斯?韦伯空间望远镜稳像系统16-18
• 1.2.3 国内稳像技术调研18-19
• 1.3 课题研究的方法和内容19-23
• 1.3.1 课题研究方法19-21
• 1.3.2 课题研究内容21-23
• 2 微振动对空间望远镜成像质量影响23-57
• 2.1 空间望远镜在轨动力学环境分析24-28
• 2.2 空间望远镜模型的建立与分析28-33
• 2.3 望远镜系统元件微振动像移分析33-44
• 2.3.1 平面反射镜的单自由度振动34-38
• 2.3.2 透镜单自由度振动分析38-41
• 2.3.3 球面反射镜单自由度振动分析41-44
• 2.4 空间望远镜动力学分析44-54
• 2.4.1 空间望远镜模态分析44-45
• 2.4.2 空间望远镜响应谱分析45-50
• 2.4.3 空间扰动载荷响应分析50-54
• 2.5 小结54-57
• 3 隔振系统设计57-81
• 3.1 隔振技术现状分析57-62
• 3.2 被动隔振原理62-66
• 3.3 主被动振动补偿特性分析66-72
• 3.3.1 基于位移反馈的主动隔振系统特性分析68-69
• 3.3.2 基于速度反馈的主动隔振系统特性分析69-70
• 3.3.3 基于加速度反馈的主动隔振系统特性分析70-72
• 3.4 隔振系统研究72-78
• 3.4.1 隔振器设计72-73
• 3.4.2 隔振系统性能分析73-78
• 3.5 望远镜隔振系统性能分析78-79
• 3.6 小结79-81
• 4 精密稳像系统动力学研究与设计81-129
• 4.2 作动器的选择83-85
• 4.3 柔性微位移支撑结构设计85-101
• 4.3.1 交叉铰链转动刚度分析87-92
• 4.3.2 微位移放大机构的运动学分析92-96
• 4.3.3 微位移放大机构的静力学分析96-97
• 4.3.4 微位移放大机构的动力学仿真及试验验证97-101
• 4.3.5 两维微位移机构设计101
• 4.4 快摆镜镜体设计101-104
• 4.5 快摆镜性能测试104-113
• 4.5.1 快摆镜静态精度分析104-107
• 4.5.2 快摆镜的模态分析107-110
• 4.5.3 快摆镜扫频试验分析110-113
• 4.6 基于响应面法的结构优化设计113-124
• 4.6.1 优化设计流程114-115
• 4.6.2 建立响应面模型115-117
• 4.6.3 二次响应面模型回归分析117-120
• 4.6.4 基于非线性二次规划算法的多目标优化120-123
• 4.6.5 簧片优化设计后的快摆镜分析123-124
• 4.7 柔性中心支撑结构设计124-126
• 4.8 小结126-129
• 5 稳像系统性能测试分析129-139
• 5.1 稳像系统动力学试验微振动检测系统129-131
• 5.2 稳像系统动力学试验模拟试验条件131-136
• 5.2.1 隔振平台性能分析试验131-134
• 5.2.2 精密稳像系统微振动测试分析134-136
• 5.3 小结136-139
• 6 课题总结与展望139-143
• 6.1 课题总结139-140
• 6.2 课题展望140-143
• 参考文献143-149
• 附录149-155
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果155

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本文编号：613687