本文關(guān)鍵詞：天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)及復(fù)合支撐技術(shù)研究

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【摘要】：隨著空間探測(cè)分辨率的不斷提高,空間相機(jī)主反射鏡的口徑越來(lái)越大�？趶皆黾�,反射鏡組件對(duì)重力變化,溫度變化和發(fā)射轉(zhuǎn)運(yùn)等環(huán)境的干擾也更加敏感。針對(duì)空間遙感器大口徑反射鏡組件的功能需求、工作環(huán)境的復(fù)雜性和其不可維修性,反射鏡組件必須具備高尺寸精度、高可靠性和高穩(wěn)定性的性能。本論文以在研大型綜合空間載荷項(xiàng)目中的2m口徑主反射鏡組件的穩(wěn)定支撐為依托,開(kāi)展了如下幾方面的研究工作:1、在概述國(guó)內(nèi)外空間大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)以及支撐發(fā)展的基礎(chǔ)上,詳細(xì)闡述了各種支撐的優(yōu)缺點(diǎn),并總結(jié)了天基大口徑反射鏡支撐的發(fā)展方向。2、針對(duì)天基大口徑反射鏡的高尺寸精度、高可靠性和高穩(wěn)定性需求,提出了被動(dòng)支撐為主、主動(dòng)支撐為輔助的主、被動(dòng)復(fù)合支撐方案。被動(dòng)支撐由周邊支撐和背部支撐組成,主動(dòng)支撐由36個(gè)力促動(dòng)器組成。在正常工作狀態(tài)下,被動(dòng)支撐起作用,通過(guò)周邊支撐和背部支撐的共同作用,約束主反射鏡的六個(gè)空間自由度,實(shí)現(xiàn)靜定支撐,對(duì)主反射鏡空間定位;通過(guò)周邊支撐和背部支撐的多點(diǎn)支撐,保證鏡體的面形精度。在軌工作過(guò)程中,出現(xiàn)溫度控制失調(diào)等不可預(yù)測(cè)因素導(dǎo)致被動(dòng)支撐系統(tǒng)不能正常工作時(shí),主動(dòng)支撐起作用,此時(shí),被動(dòng)支撐做為“硬點(diǎn)”,起空間定位作用,主動(dòng)支撐通過(guò)力傳感器、施力機(jī)構(gòu)和控制算法對(duì)主反射鏡進(jìn)行面形調(diào)整,保證主反射鏡組件正常工作。3、本論文提出了一種天基大口徑反射鏡組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法。傳統(tǒng)的反射鏡輕量化及支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與有限元校核的手段。該方法是根據(jù)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn),采用傳統(tǒng)理論和經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)出反射鏡組件的結(jié)構(gòu),用有限元手段進(jìn)行校核計(jì)算,然后根據(jù)仿真分析結(jié)果,修改模型,進(jìn)行反復(fù)迭代,最終設(shè)計(jì)出滿足指標(biāo)要求的反射鏡組件。這種方法效率相對(duì)較低,耗費(fèi)大量的人力和物力,并且設(shè)計(jì)結(jié)果很難收斂到最優(yōu)解,得到的設(shè)計(jì)結(jié)果可能只是滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的局部最優(yōu)解,很難得到全局最優(yōu)解。針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺陷,本文提出了一種反射鏡組件優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法-傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這種方法設(shè)計(jì)效率高、結(jié)果收斂速度快,可快速獲得最優(yōu)性能的結(jié)構(gòu)。4、采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)以及經(jīng)典理論公式,深入研究支撐原理,完成鏡體、被動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)。5、被動(dòng)支撐方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)指標(biāo)需求,確定組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量、約束條件、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的選取是關(guān)鍵,鏡面變形對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像的影響尤為突出,確定鏡面面形誤差為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),并確定反射鏡鏡面面形精度rms值作為鏡面面形誤差的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。采用matlab語(yǔ)言編寫(xiě)了鏡面面形精度rms值的計(jì)算程序,利用isight商業(yè)軟件的過(guò)程集成和流程自動(dòng)化功能,建立了幾何和有限元模型的更新、計(jì)算和評(píng)價(jià)的優(yōu)化平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡體和被動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。6、主動(dòng)光學(xué)用來(lái)消除在軌工作時(shí)不可預(yù)測(cè)因素造成的像差,將像差分解為像散、彗差、三葉、離焦等基本像差,彗差由次鏡調(diào)整,離焦由“三合一鏡”調(diào)整,主反射鏡用來(lái)調(diào)整象散和三葉。將校正像散和三葉像差分量的能力大小做為主動(dòng)光學(xué)促動(dòng)器個(gè)數(shù)、點(diǎn)位的設(shè)計(jì)目標(biāo)。采用isight集成優(yōu)化平臺(tái)集成sigfit軟件在多點(diǎn)被動(dòng)支撐點(diǎn)做硬點(diǎn)的前提下,完成主、被復(fù)合支撐方案中主動(dòng)光學(xué)促動(dòng)器個(gè)數(shù)和點(diǎn)位的設(shè)計(jì)。7、為驗(yàn)證主、被動(dòng)復(fù)合支撐的原理、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性以及方案的工程可實(shí)現(xiàn)性,采用與2m口徑主反射鏡組件相同的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了與2m口徑主反射鏡組件支撐方案相同的試驗(yàn)鏡組件,開(kāi)展主、被動(dòng)支撐的原理試驗(yàn)、設(shè)計(jì)方法實(shí)用性試驗(yàn)和工程可實(shí)現(xiàn)性試驗(yàn)。本論文研究工作圍繞天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)及支撐技術(shù),從天基大口徑反射鏡組件的高尺寸精度、高可靠性和高穩(wěn)定性需求出發(fā),提出了被動(dòng)支撐為主、主動(dòng)支撐為輔助的復(fù)合支撐方案;針對(duì)天基大口徑反射鏡組件傳統(tǒng)設(shè)計(jì)效率低下,不易獲得最優(yōu)解的弊端,提出了一種反射鏡組件設(shè)計(jì)的新方法-傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)效率高、結(jié)果收斂速度快,可很快獲得最優(yōu)性能的結(jié)構(gòu)。最后采用試驗(yàn)鏡組件對(duì)支撐方案的原理、工程實(shí)現(xiàn)以及設(shè)計(jì)方法開(kāi)展了相應(yīng)的試驗(yàn)。為論文所依托的在研項(xiàng)目的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。該復(fù)合支撐方案和設(shè)計(jì)方法可以應(yīng)用于更大口徑的天基反射鏡的支撐和設(shè)計(jì)中,該支撐方案的另一個(gè)意義在于:備份主動(dòng)光學(xué)在軌應(yīng)用可以做為純主動(dòng)光學(xué)在軌應(yīng)用的一次先期試驗(yàn),為純主動(dòng)光學(xué)的在軌應(yīng)用鋪橋引路。
【關(guān)鍵詞】：天基大口徑 復(fù)合支撐 主動(dòng)支撐 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 被動(dòng)支撐 輕量化設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH74
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 課題研究背景及意義14-16
• 1.2 天基大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)及支撐的研究現(xiàn)狀16-25
• 1.3 論文的研究?jī)?nèi)容與研究方法25-27
• 1.4 本章小結(jié)27-28
• 第2章 天基大口徑反射鏡主、被動(dòng)復(fù)合支撐方案28-46
• 2.1 天基大口徑反射鏡的支撐原理28-38
• 2.2 2m口徑反射鏡組件的指標(biāo)要求38-39
• 2.3 2m口徑反射鏡復(fù)合支撐方案39-45
• 2.4 本章小結(jié)45-46
• 第3章 天基大口徑反射鏡輕量化及支撐設(shè)計(jì)方法研究46-62
• 3.1 傳統(tǒng)大口徑反射鏡組件設(shè)計(jì)方法46-47
• 3.2 天基大口徑反射鏡組件綜合設(shè)計(jì)方法47-51
• 3.3 設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化算法51-61
• 3.4 本章小結(jié)61-62
• 第4章 反射鏡輕量化設(shè)計(jì)及被動(dòng)支撐方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化62-108
• 4.1 引言62
• 4.2 指標(biāo)分解與功能分配62-68
• 4.3 大口徑反射鏡輕量化設(shè)計(jì)68-82
• 4.4 被動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)82-106
• 4.5 本章小結(jié)106-108
• 第5章 主動(dòng)支撐方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化108-116
• 5.1 引言108
• 5.2 光學(xué)系統(tǒng)主動(dòng)光學(xué)調(diào)整策略108-109
• 5.3 優(yōu)化支撐點(diǎn)個(gè)數(shù)及支撐位置109-114
• 5.4 促動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)114-115
• 5.5 本章小結(jié)115-116
• 第6章 試驗(yàn)驗(yàn)證116-124
• 6.1 引言116
• 6.2 試驗(yàn)鏡組件設(shè)計(jì)116-118
• 6.3 試驗(yàn)鏡組件試驗(yàn)118-123
• 6.4 本章小結(jié)123-124
• 第7章 總結(jié)與展望124-126
• 7.1 總結(jié)124-125
• 7.2 研究展望125-126
• 參考文獻(xiàn)126-134
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況134-136
• 指導(dǎo)教師及作者簡(jiǎn)介136-138
• 致謝138

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本文編號(hào)：1034047