【摘要】：區(qū)別于常規(guī)的光學(xué)有效載荷,空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡直接對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行成像,其面臨的空間熱力環(huán)境更為苛刻。望遠(yuǎn)鏡桁架式前置結(jié)構(gòu)為整個(gè)空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重要組件,其變化對(duì)望遠(yuǎn)鏡性能影響顯著,且更易受到外部載荷的影響;例如,主鏡吸收太陽(yáng)熱量,主鏡熱變形將對(duì)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)像質(zhì)產(chǎn)生影響;主桁架作為望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵承力組件,其結(jié)構(gòu)變形也將導(dǎo)致主鏡和準(zhǔn)直鏡相對(duì)位置變化,而使更多熱量進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng),使望遠(yuǎn)鏡后續(xù)組件的熱控變得困難。光機(jī)集成仿真技術(shù)作為一種多學(xué)科、系統(tǒng)級(jí)的仿真技術(shù)方法,使得光機(jī)系統(tǒng)在外部熱力載荷作用下,對(duì)光學(xué)性能的影響評(píng)價(jià)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。鑒于桁架式前置結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的重要性,且自身容易受到外部環(huán)境載荷影響,需進(jìn)行外部載荷作用下的光學(xué)性能評(píng)估,而光機(jī)集成仿真技術(shù)又可系統(tǒng)的解決外部影響對(duì)光機(jī)系統(tǒng)光學(xué)性能評(píng)價(jià)問(wèn)題。本文將兩者結(jié)合,對(duì)空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡桁架式前置結(jié)構(gòu)光機(jī)集成仿真技術(shù)進(jìn)行研究,以探討空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)及其環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì),也為我國(guó)大口徑高分辨率空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡研制做好技術(shù)儲(chǔ)備�？臻g太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡桁架式前置結(jié)構(gòu)光機(jī)集成仿真技術(shù)研究包括以下方面內(nèi)容:(1)在概述國(guó)內(nèi)外天基、地基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡基礎(chǔ)上,說(shuō)明了太陽(yáng)觀測(cè)的意義和進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究的必要性;針對(duì)空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡桁架式前置結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)望遠(yuǎn)鏡性能的影響及空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀,提出了空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡桁架式前置結(jié)構(gòu)光機(jī)集成仿真技術(shù)研究課題。(2)對(duì)光學(xué)面形畸變及剛體位移參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了研究,此內(nèi)容也是光機(jī)集成分析的基礎(chǔ)。針對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)面形參數(shù)計(jì)算精度不足問(wèn)題,提出了光學(xué)面形有限元離散誤差概念,對(duì)基于離散誤差消除技術(shù)的光學(xué)面形參數(shù)高精度計(jì)算方法進(jìn)行了研究。為提高拋物面主鏡面形參數(shù)的計(jì)算精度,提出了一種新的拋物面主鏡面形參數(shù)計(jì)算數(shù)學(xué)模型,在對(duì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法研究基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了高精度拋物面面形參數(shù)計(jì)算程序。(3)對(duì)光機(jī)集成仿真涉及的技術(shù)及理論進(jìn)行了研究,包括了幾種常用的擬合多項(xiàng)式,節(jié)點(diǎn)有限元位移到面形變化擬合參量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法,光學(xué)面形多項(xiàng)式擬合算法等。此外,對(duì)光學(xué)面形離散點(diǎn)云的邊界檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究與探討,并將其應(yīng)用于面形光機(jī)集成仿真數(shù)據(jù)前處理模塊中,為光學(xué)面形數(shù)據(jù)處理方法提供了新的技術(shù)參考。在對(duì)光機(jī)集成仿真核心算法研究的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了通用的光機(jī)集成仿真接口程序ISInterface,并對(duì)程序的正確性進(jìn)行了測(cè)試,為光機(jī)系統(tǒng)光機(jī)集成仿真提供了技術(shù)支持。(4)進(jìn)行了空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡桁架式前置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),包括:望遠(yuǎn)鏡主鏡、主鏡柔性支撐結(jié)構(gòu)及主桁架結(jié)構(gòu),也為仿真技術(shù)研究亦提供了載體模型;此外,也對(duì)主鏡、主桁架等結(jié)構(gòu)的有限元建模方法進(jìn)行了討論。(5)利用相關(guān)分析計(jì)算方法及程序,對(duì)主鏡與主桁架的熱力特性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明:主鏡柔性支撐結(jié)構(gòu)可提高主鏡的溫度適應(yīng)性,降低主鏡熱控難度;相比碳化硅主鏡,玻璃材料主鏡的溫度適應(yīng)性更好,對(duì)于空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡,線漲系數(shù)小的玻璃材料仍是主鏡材料首選。此外,基于主鏡與準(zhǔn)直鏡組件的相對(duì)位置變化與主桁架的模態(tài)分析結(jié)果,得到碳纖維材料桁架的溫度特性與剛度夠滿(mǎn)足空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)主桁架的設(shè)計(jì)需求。(6)對(duì)前置結(jié)構(gòu)的光機(jī)集成仿真技術(shù)流程及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究,利用光機(jī)集成仿真技術(shù)對(duì)前置結(jié)構(gòu)變化,對(duì)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了分析。基于集成仿真分析數(shù)據(jù),優(yōu)化了主鏡及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);得到了溫度變化對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的影響曲線,掌握了前置結(jié)構(gòu)溫變對(duì)系統(tǒng)性能的影響,為望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)與熱控設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TH753.1
【圖文】：

圖 1-1 NST 及其拍攝的高清太陽(yáng)黑子圖片另外，美國(guó)建設(shè)中的直徑 4 米的高科技太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（ATST）[4～6]，位于夏威夷毛伊島，海拔 3000 米的 Haleakala 峰上；它將是世界上最強(qiáng)大的太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，也將是研究太陽(yáng)磁場(chǎng)的主要地基望遠(yuǎn)鏡，計(jì)劃將在 2017 年建成；其采用了口徑 4m 的離軸主鏡結(jié)構(gòu)形式，可以覆蓋 300～3000nm 的光譜范圍，可以觀察太陽(yáng)表面 20Km 太陽(yáng)尺度細(xì)節(jié)，可見(jiàn)光波段的角分辨率可 0.03″。在歐洲，為推動(dòng)太陽(yáng)物理研究與發(fā)展，多個(gè)歐洲國(guó)家參與建設(shè)的大口徑歐洲太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（EST）項(xiàng)目研制工作也已經(jīng)啟動(dòng)，EST 主鏡有效口徑也將達(dá) 4m，其科學(xué)目標(biāo)與 ATST 相近[7]。

圖 1-1 NST 及其拍攝的高清太陽(yáng)黑子圖片建設(shè)中的直徑 4 米的高科技太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（ATST）[4～6]，000 米的 Haleakala 峰上；它將是世界上最強(qiáng)大的太陽(yáng)望遠(yuǎn)主要地基望遠(yuǎn)鏡，計(jì)劃將在 2017 年建成；其采用了口徑可以覆蓋 300～3000nm 的光譜范圍，可以觀察太陽(yáng)表面光波段的角分辨率可 0.03″。在歐洲，為推動(dòng)太陽(yáng)物理研與建設(shè)的大口徑歐洲太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（EST）項(xiàng)目研制工作徑也將達(dá) 4m，其科學(xué)目標(biāo)與 ATST 相近[7]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2725050