發(fā)布時間：2020-04-23 22:25

【摘要】：光學(xué)望遠(yuǎn)鏡作為天文觀測、激光通信等應(yīng)用的主要光電探測設(shè)備,隨著系統(tǒng)分辨率要求的提高,所需口徑越來越大。良好的指向重復(fù)性和成像質(zhì)量是現(xiàn)代大口徑望遠(yuǎn)鏡工作的必要條件。隨著望遠(yuǎn)鏡口徑的增大,系統(tǒng)的重力慣性與熱慣性急劇增大,嚴(yán)重影響望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量。近幾十年來,望遠(yuǎn)鏡的研制過程中發(fā)展了許多新技術(shù),比如現(xiàn)代光學(xué)、力學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制和精密機(jī)械技術(shù)等。這些新技術(shù)的出現(xiàn),突破了望遠(yuǎn)鏡口徑的限制,并且降低了望遠(yuǎn)鏡造價,簡化了望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu),使得望遠(yuǎn)鏡技術(shù)朝更大口徑、更廣應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同,望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵技術(shù)有所區(qū)別。因此,應(yīng)該基于不同的需求指標(biāo)分別對望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。為了滿足望遠(yuǎn)鏡的指向精度與成像質(zhì)量要求,本文以理論計算,結(jié)構(gòu)設(shè)計,仿真分析,試驗(yàn)驗(yàn)證為技術(shù)路線,以數(shù)米口徑望遠(yuǎn)鏡為研究對象,針對影響望遠(yuǎn)鏡關(guān)鍵性能的跟蹤架結(jié)構(gòu)與主鏡展開了研究。論文的主要內(nèi)容與具體成果如下:1.光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展現(xiàn)狀的概述。為了獲得高精度、高分辨率的成像質(zhì)量,望遠(yuǎn)鏡正在向更大口徑、更高分辨率、更多系統(tǒng)集成等方向發(fā)展。然后本文簡述了環(huán)境對望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量的影響,并總結(jié)了國內(nèi)外現(xiàn)有大口徑望遠(yuǎn)鏡的主動熱控方案,進(jìn)而控制望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)內(nèi)部的溫度梯度以及主鏡與外界環(huán)境的溫差,保證系統(tǒng)成像質(zhì)量。2.基于滾動軸承的數(shù)米級跟蹤架關(guān)鍵技術(shù)研究。以數(shù)米級口徑望遠(yuǎn)鏡為研究對象,簡述了望遠(yuǎn)鏡的指向精度及影響因素,然后對跟蹤架的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析;根據(jù)應(yīng)用需求,望遠(yuǎn)鏡方位軸系采用大角接觸與徑向密珠一體化軸承,俯仰軸系采用一端止推,一端游動的圓柱滾子軸承支撐方案;運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化理論對望遠(yuǎn)鏡的大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,并對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了力學(xué)的有限元分析,得出優(yōu)化后的大型結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)剛度高的同時減小了質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量,實(shí)現(xiàn)了大型結(jié)構(gòu)件的輕量化。3.大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡跟蹤架系統(tǒng)級的力學(xué)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。本文對望遠(yuǎn)鏡跟蹤架進(jìn)行系統(tǒng)級的有限元分析,討論了系統(tǒng)在重力作用下的變形與應(yīng)力,對變形結(jié)果進(jìn)行分析,系統(tǒng)能保證光學(xué)元件相對位置的穩(wěn)定性,結(jié)果滿足靜承載能力要求。然后對系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析,提取了模態(tài)頻率與振型,一階模態(tài)高,有力地保證了系統(tǒng)抗風(fēng)載與地震波等外界干擾的能力。利用LMS系統(tǒng)對某一平臺上的小口徑地平式望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn),結(jié)果表明系統(tǒng)的低階模態(tài)峰值顯著、振型與大口徑望遠(yuǎn)鏡仿真結(jié)果一致,達(dá)到了大小口徑望遠(yuǎn)鏡相互驗(yàn)證的目的,同時驗(yàn)證了大口徑望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和有限元仿真的正確性,為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了依據(jù)與指導(dǎo)。4.望遠(yuǎn)鏡蜂窩孔輕質(zhì)主鏡反射面的熱控技術(shù)的研究。介紹了望遠(yuǎn)鏡主鏡的形狀及所處的熱環(huán)境,并對主鏡在設(shè)計初期進(jìn)行了模型等效,用等效模型溫度場的解析解預(yù)估輕質(zhì)鏡的溫度場;仿真分析了主鏡在自然對流環(huán)境下的成像質(zhì)量,反射面面形結(jié)果無法滿足望遠(yuǎn)鏡觀測要求,提出了熱控的必要性。根據(jù)主鏡面形指標(biāo),設(shè)計了主鏡反射面氣刀熱控系統(tǒng),并對熱控系統(tǒng)的形式、參數(shù)等進(jìn)行仿真優(yōu)化,優(yōu)化后的熱控系統(tǒng)可以在反射面形成均勻化、精細(xì)化的流場,反射面熱邊界層和主鏡面殘余熱得到了有效的控制,同時成像質(zhì)量滿足望遠(yuǎn)鏡的觀測需求。5.輕質(zhì)主鏡熱控縮比試驗(yàn)研究。為了驗(yàn)證大口徑主鏡氣刀熱控系統(tǒng)的有效性與可行性,根據(jù)相似理論提出并建立了Φ630 mm的融石英輕質(zhì)鏡氣刀熱控縮比系統(tǒng),在高低溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行縮比試驗(yàn),測試了不同的熱邊界條件對主鏡特性的影響。最后基于相似π定理反推氣刀熱控條件下大口徑望遠(yuǎn)鏡主鏡的特性,為大口徑望遠(yuǎn)鏡主鏡熱控系統(tǒng)的具體設(shè)計提供參考;同時相似理論為大口徑望遠(yuǎn)鏡的其它研究提供了借鑒意義。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH743

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