本文關(guān)鍵詞：空間望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 空間望遠(yuǎn)鏡 穩(wěn)像系統(tǒng) 隔振 精密穩(wěn)像 動(dòng)力學(xué)模型

【摘要】：隨著科學(xué)的發(fā)展以及對(duì)自身認(rèn)知水平的不斷提高,人類(lèi)對(duì)于天文觀(guān)測(cè)需求愈發(fā)迫切。目前空間天文望遠(yuǎn)鏡均布置在空間平臺(tái)上,由于空間平臺(tái)工作環(huán)境復(fù)雜,平臺(tái)的姿態(tài)變換,太陽(yáng)能帆板的顫振,空間制冷機(jī)工作擾動(dòng)等對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響,造成圖像模糊,失真等,大大降低了空間望遠(yuǎn)鏡的成像精度。為了充分提高空間天文望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)精度,最大程度的接近衍射極限,需要對(duì)空間平臺(tái)振動(dòng)進(jìn)行抑制,采取穩(wěn)像措施,達(dá)到高精度成像的要求。針對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,在完成調(diào)研國(guó)內(nèi)外望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)像需求,提出了本研究所采用的振動(dòng)隔離與精密穩(wěn)像結(jié)合的望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方案。分析了穩(wěn)像系統(tǒng)相關(guān)的隔振分系統(tǒng)和精密穩(wěn)像分系統(tǒng),完成了動(dòng)力學(xué)研究以及系統(tǒng)初步設(shè)計(jì),通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)完成了驗(yàn)證分析。分析空間天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)在外部干擾與內(nèi)部擾動(dòng)抑制殘余共同作用下,通過(guò)隔振系統(tǒng)、精密穩(wěn)像系統(tǒng)協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)像性能要求以及進(jìn)行補(bǔ)償與精度檢測(cè)的技術(shù),用理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法,實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)。針對(duì)課題研究目標(biāo)建立了一套空間望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,完成了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)模型的振動(dòng)響應(yīng)分析。針對(duì)空間平臺(tái)中高頻(10Hz以上)微振動(dòng)干擾,設(shè)計(jì)了一套隔振系統(tǒng),并通過(guò)仿真分析的方法驗(yàn)證了隔振系統(tǒng)的工作性能。針對(duì)空間低頻(10Hz以下)振動(dòng)干擾,設(shè)計(jì)了一套精密穩(wěn)像系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)樣機(jī),采用仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證的方法設(shè)計(jì)了大口徑快擺鏡機(jī)構(gòu);建立了實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)像驗(yàn)證系統(tǒng),通過(guò)模擬空間望遠(yuǎn)鏡在微振動(dòng)環(huán)境下的狀態(tài)響應(yīng)來(lái)驗(yàn)證穩(wěn)像系統(tǒng)的可行性,為后續(xù)穩(wěn)像系統(tǒng)工程化奠定了堅(jiān)實(shí)的預(yù)先研究基礎(chǔ)。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于:1)針對(duì)未來(lái)空間平臺(tái)的大口徑望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)先研究,采用集成模型法分析望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)微振動(dòng)擾動(dòng)下的像移響應(yīng)和隔振性能分析,計(jì)算出空間平臺(tái)26.4″的微振動(dòng)環(huán)境。提出了隔振系統(tǒng)與精密穩(wěn)像系統(tǒng)共同作用的穩(wěn)像方案,并根據(jù)擾動(dòng)頻率確定了隔振系統(tǒng)與精密穩(wěn)像系統(tǒng)的工作范圍。為未來(lái)更多的空間穩(wěn)像系統(tǒng)提供前期的技術(shù)支持。2)研究設(shè)計(jì)一種大口徑(330×340mm)快擺鏡,快擺鏡運(yùn)動(dòng)分辨率達(dá)到角秒量級(jí),同時(shí)發(fā)明一種能夠應(yīng)用于精密穩(wěn)像系統(tǒng)的八鉸同軸柔性微位移機(jī)構(gòu),通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,確定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。該機(jī)構(gòu)分辨率達(dá)到納米量級(jí),位移輸出線(xiàn)性度良好,同時(shí)保證作動(dòng)機(jī)構(gòu)不受剪切應(yīng)力,最終設(shè)計(jì)完成的快擺鏡口徑為330×340mm,最大行程為64″,位移分辨率為0.013″,基頻高于100Hz,系統(tǒng)靜態(tài)精度誤差為5%,滿(mǎn)足快擺鏡的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。3)搭建了空間望遠(yuǎn)鏡在軌工作的實(shí)驗(yàn)室模擬系統(tǒng),利用平行光管模擬主光學(xué)系統(tǒng),激光模擬星光,采用自準(zhǔn)直系統(tǒng)方案等效高精度空間望遠(yuǎn)鏡在軌工作狀態(tài)。在10Hz擾動(dòng)頻率下,通過(guò)高精度的振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)像系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證,在10Hz以上隔振性能為100dB以上;完成基于像移統(tǒng)計(jì)特性的測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),其中實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出實(shí)驗(yàn)室環(huán)境背景微振動(dòng)為0.0125″,快擺鏡系統(tǒng)在10Hz驅(qū)動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差為1.2%,滿(mǎn)足10Hz精密穩(wěn)像系統(tǒng)補(bǔ)償帶寬。該模擬系統(tǒng)解決了高精度、大口徑空間望遠(yuǎn)鏡試驗(yàn)驗(yàn)證難題。
【關(guān)鍵詞】：空間望遠(yuǎn)鏡 穩(wěn)像系統(tǒng) 隔振 精密穩(wěn)像 動(dòng)力學(xué)模型
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TH751
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 1 課題研究背景及方法13-23
• 1.1 課題研究意義13-14
• 1.2 國(guó)內(nèi)外穩(wěn)像動(dòng)力學(xué)技術(shù)的研究進(jìn)展14-19
• 1.2.1 同溫層紅外天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)14-16
• 1.2.2 詹姆斯?韋伯空間望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)16-18
• 1.2.3 國(guó)內(nèi)穩(wěn)像技術(shù)調(diào)研18-19
• 1.3 課題研究的方法和內(nèi)容19-23
• 1.3.1 課題研究方法19-21
• 1.3.2 課題研究?jī)?nèi)容21-23
• 2 微振動(dòng)對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量影響23-57
• 2.1 空間望遠(yuǎn)鏡在軌動(dòng)力學(xué)環(huán)境分析24-28
• 2.2 空間望遠(yuǎn)鏡模型的建立與分析28-33
• 2.3 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)元件微振動(dòng)像移分析33-44
• 2.3.1 平面反射鏡的單自由度振動(dòng)34-38
• 2.3.2 透鏡單自由度振動(dòng)分析38-41
• 2.3.3 球面反射鏡單自由度振動(dòng)分析41-44
• 2.4 空間望遠(yuǎn)鏡動(dòng)力學(xué)分析44-54
• 2.4.1 空間望遠(yuǎn)鏡模態(tài)分析44-45
• 2.4.2 空間望遠(yuǎn)鏡響應(yīng)譜分析45-50
• 2.4.3 空間擾動(dòng)載荷響應(yīng)分析50-54
• 2.5 小結(jié)54-57
• 3 隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)57-81
• 3.1 隔振技術(shù)現(xiàn)狀分析57-62
• 3.2 被動(dòng)隔振原理62-66
• 3.3 主被動(dòng)振動(dòng)補(bǔ)償特性分析66-72
• 3.3.1 基于位移反饋的主動(dòng)隔振系統(tǒng)特性分析68-69
• 3.3.2 基于速度反饋的主動(dòng)隔振系統(tǒng)特性分析69-70
• 3.3.3 基于加速度反饋的主動(dòng)隔振系統(tǒng)特性分析70-72
• 3.4 隔振系統(tǒng)研究72-78
• 3.4.1 隔振器設(shè)計(jì)72-73
• 3.4.2 隔振系統(tǒng)性能分析73-78
• 3.5 望遠(yuǎn)鏡隔振系統(tǒng)性能分析78-79
• 3.6 小結(jié)79-81
• 4 精密穩(wěn)像系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究與設(shè)計(jì)81-129
• 4.2 作動(dòng)器的選擇83-85
• 4.3 柔性微位移支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)85-101
• 4.3.1 交叉鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)剛度分析87-92
• 4.3.2 微位移放大機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析92-96
• 4.3.3 微位移放大機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析96-97
• 4.3.4 微位移放大機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證97-101
• 4.3.5 兩維微位移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)101
• 4.4 快擺鏡鏡體設(shè)計(jì)101-104
• 4.5 快擺鏡性能測(cè)試104-113
• 4.5.1 快擺鏡靜態(tài)精度分析104-107
• 4.5.2 快擺鏡的模態(tài)分析107-110
• 4.5.3 快擺鏡掃頻試驗(yàn)分析110-113
• 4.6 基于響應(yīng)面法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)113-124
• 4.6.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程114-115
• 4.6.2 建立響應(yīng)面模型115-117
• 4.6.3 二次響應(yīng)面模型回歸分析117-120
• 4.6.4 基于非線(xiàn)性二次規(guī)劃算法的多目標(biāo)優(yōu)化120-123
• 4.6.5 簧片優(yōu)化設(shè)計(jì)后的快擺鏡分析123-124
• 4.7 柔性中心支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)124-126
• 4.8 小結(jié)126-129
• 5 穩(wěn)像系統(tǒng)性能測(cè)試分析129-139
• 5.1 穩(wěn)像系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)微振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)129-131
• 5.2 穩(wěn)像系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)條件131-136
• 5.2.1 隔振平臺(tái)性能分析試驗(yàn)131-134
• 5.2.2 精密穩(wěn)像系統(tǒng)微振動(dòng)測(cè)試分析134-136
• 5.3 小結(jié)136-139
• 6 課題總結(jié)與展望139-143
• 6.1 課題總結(jié)139-140
• 6.2 課題展望140-143
• 參考文獻(xiàn)143-149
• 附錄149-155
• 作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果155

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本文編號(hào)：613687