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2m量级空间反射镜组件设计与优化

作　者: 王书新
导　师: 任建岳
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 响应面大口径反射镜支撑结构
分类号: TH74
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着任务需求对空间探测精度的不断提高，人们对空间相机主反射镜提出了口径更大的要求。由于直径增加，反射镜因自重而引起的镜面变形增大，同时反射镜因环境温度变化而产生的镜面热变形增大。根据大口径反射镜地面环境和在轨运行环境的差异，对反射镜及其支撑结构进行设计与优化，增强反射镜抵抗由自重和温度变化引起的镜面面形劣化的能力，是空间光学遥感器研制的关键技术之一。本文以2m反射镜组件为研究对象，进行了以下几个方面的研究工作：(1)在概述国内外大口径空间反射镜的发展概况基础上阐明了大口径空间反射镜结构设计中需要解决的问题，研究了大口径主反射镜关键技术。(2)在给出了优化问题的数学描述基础上，研究了反射镜优化所用到的试验设计方法、近似模型理论和优化算法，为接下来的设计分析优化工作奠定了理论基础。(3)通过研究载荷作用下镜面变形对光学系统的影响，确定以反射镜面形精度rms值作为镜面面形误差评价标准。针对反射镜面形精度rms值无法作为有限元商业软件优化的目标问题，利用iSIGHT软件过程集成和流程自动化功能，建立了包括有限元模型更新、计算、评价的优化平台。(4)针对传统静定支撑方式已远远不能满足2m量级空间反射镜面形精度的要求问题，本文采用多点支撑方式方案，研究了大口径反射镜支撑点数量和位置、反射镜材料和反射镜结构形式；并利用经典理论公式确定的支撑点位置，进行了反射镜裸镜结构初步设计。(5)针对反射镜多点支撑经典理论公式的局限性，采用响应面近似模型研究了反射镜的最优支撑问题。建立了反射镜口径D、中心厚度H与反射镜面形精度rms以及支撑点位置的关系。根据项目需求进行了2m口径反射镜优化。对比初步设计方案，优化后的反射镜结构具备更好的面形精度稳定性。(6)提出反射镜与反射镜背板结构相似、材料相同的总体支撑方案设计，实现载荷下，变形量匹配，降低了对柔性结构的依赖，提高了环境适应性。(7)针对大口径反射镜在力学环境工况和空间热环境工况下的镜面面形无法满足指标要求的问题，提出反射镜各柔性支撑结构因载重不同而产生不同的变形量是造成反射镜面形劣化的主要原因，采用响应面近似模型对各支撑点柔性结构的刚度进行了优化，实现了大口径反射镜组件级支撑。本文采用响应面近似模型对反射镜裸镜最优支撑进行了研究、针对柔性结构刚度进行优化已获得良好的镜面面形精度，所得结果对工程实际具有重要的意义和参考价值。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
第1章绪论  11-27
  1.1 引言  11
  1.2 空间反射镜概述  11-17
  1.3 大口径反射镜技术  17-25
  1.4 本文研究内容及意义  25
  1.5 本章小结  25-27
第2章近似模型优化理论  27-43
  2.1 试验设计(DOE)  28-32
  2.2 响应面近似模型  32-38
  2.3 优化算法  38-41
  2.4 小结  41-43
第3章大口径空间反射镜设计  43-63
  3.1 多点支撑的理论基础  43-46
  3.2 镜面面形误差评价的标准  46-47
  3.3 影响反射镜镜面面形的环境因素  47-51
  3.4 反射镜材料的选择  51-55
  3.5 反射镜镜体结构对面形的影响  55-59
  3.6 2m 口径反射镜初步设计  59-62
  3.7 小结  62-63
第4章反射镜优化设计  63-85
  4.1 反射镜优化问题描述  63-65
  4.2 基于 HyperMorph 的参数化建模  65-67
  4.3 基于 iSIGHT 的计算机辅助优化(CAO)  67-70
  4.4 基于响应面模型的反射镜形状优化  70-75
  4.5 基于响应面的反射镜尺寸优化  75-82
  4.6 2m 反射镜优化  82-83
  4.7 小结  83-85
第5章反射镜支撑结构的设计与优化  85-117
  5.1 总体支撑方案设计  86-88
  5.2 柔性铰链理论  88-92
  5.3 柔节结构设计与优化  92-101
  5.4 反射镜背板部件设计与优化  101-113
  5.5 反射镜组件动态特性分析  113-114
  5.7 小结  114-117
第6章总结与展望  117-119
  6.1 全文总结  117-118
  6.2 深入研究工作展望  118-119
参考文献  119-125
在学期间学术成果情况  125-127
指导教师及作者简介  127-129
致谢  129

2m量级空间反射镜组件设计与优化

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