【摘要】：離軸三反光學系統(tǒng)沒有中心遮攔,可以實現(xiàn)大視場,高分辨率,獲得接近理想的成像性能和效果,被各國科研人員廣泛作為空間相機的光學系統(tǒng)。但由于其光學系統(tǒng)的非對稱性特點,相對于同軸對稱系統(tǒng),它的支撐結構設計與裝調技術是公認的技術難點。此外,為了實現(xiàn)空間相機的超大幅寬與高地面分辨率,實現(xiàn)詳普查功能一體化,需要不斷增大光學系統(tǒng)的焦距與視場角,大視場長焦距離軸三反光學系統(tǒng)中,各光學元器件的位置精度要求更加嚴格,空間相機在裝調、運輸、發(fā)射過程中的尺寸穩(wěn)定性也更加難以保持,這些都給主支撐結構設計帶來了很大的挑戰(zhàn)。本論文根據(jù)某離軸三反光學系統(tǒng)空間相機,其主、三、折疊鏡長度均超過1200mm,長寬比均超過3:1,質量均大于40kg,主次鏡間距超過1500mm的特點,從以下5方面對大型離軸三反空間相機主支撐結構的優(yōu)化設計及力學性能展開了深入研究。1.調研國內外離軸空間相機主支撐結構的典型形式,針對高分辨率、寬視場離軸三反光學系統(tǒng)的特點,分析研究了不同支撐方式的優(yōu)缺點,選取適合本論文的主支撐結構形式。2.桁架結構拓撲形式研究。根據(jù)變密度法,對本論文研究的桁架式支撐結構進行多目標拓撲優(yōu)化設計,設計出合適的桁架式初始結構,并將此初始結構拆分成各個次結構,研究分析次結構桁架桿角度對整機性能的影響。3.前框架結構優(yōu)化設計研究。根據(jù)光學系統(tǒng)特點,提出一體化支撐折疊鏡、次鏡組件的前框架結構。首先,結合加工工藝性與前框架的尺寸要求,通過對不同航天常用工程材料分析對比,選取鈦合金作為前框架的研制材料;其次,根據(jù)基于約束模態(tài)拓撲優(yōu)化方法約束點之間不存在聯(lián)系的缺陷,提出了一種綜合基于自由模態(tài)與約束模態(tài)拓撲優(yōu)化方法,優(yōu)化設計前框架結構的輕量化形式;最后,對研制出的前框架結構的進行了自由模態(tài)分析與MIMO自由模態(tài)試驗,驗證了優(yōu)化與分析方法的正確性。4.基于動力學目標的桁架桿尺寸優(yōu)化設計。根據(jù)隨機振動理論,提出加強局部區(qū)域的剛度可以減小該區(qū)域隨機振動響應的假設,并提根據(jù)此觀點提出了一種以鏡子安裝點隨機振動響應最小的多目標尺寸優(yōu)化方法來優(yōu)化本論文的桁架桿尺寸,通過桁架結構力熱樣機動、靜態(tài)力學分析與試驗,驗證了該設計方法的合理性,并驗證了本論文所提出理論假設的正確性。5.桁架結構消熱設計。研究離軸空間相機桁架結構熱變形特點,根據(jù)消熱化設計原理中熱變形后桁架桿軸向距離相等的原則,推算出各個桁架桿熱膨脹系數(shù)的函數(shù)關系,并根據(jù)光學公差要求,推算出桁架桿熱膨脹系數(shù)的取值范圍;并根據(jù)碳纖維復合材料熱膨脹系數(shù)可設計的特點,綜合剛度與熱膨脹系數(shù)兩方面因素,設計出滿足性能要求的桁架桿碳纖維復合材料鋪層方式。
[Abstract]:The off-axis three-mirror optical system is widely used as an optical system for space cameras because of its large field of view, high resolution and close to ideal imaging performance and effect. However, due to the asymmetric characteristics of its optical system, its supporting structure design and adjustment technology is generally recognized as a technical difficulty compared with the coaxial symmetric system. In addition, in order to realize the large width and high ground resolution of the space camera and the integration of the detailed survey function, it is necessary to continuously increase the focal length and field of view angle of the optical system. The position accuracy of each optical component is more strict, and the dimensional stability of the space camera in the process of installation, transportation and launch is more difficult to maintain, which brings great challenges to the design of the main supporting structure. In this paper, the main, third, folding mirror length is over 1200mm, the aspect ratio is more than 3: 1, the mass is more than 40kg, the distance between primary and secondary mirrors is more than 1500mm, according to the space camera of an off-axis three-mirror system, the length of folding mirror is more than 1200mm, the ratio of length to width is more than 3: 1. The optimization design and mechanical properties of the main support structure of the large off-axis three-counter space camera are studied in the following five aspects. This paper investigates the typical forms of the main support structure of off-axis space camera at home and abroad. In view of the characteristics of high resolution and wide field of view off-axis three-mirror optical system, the advantages and disadvantages of different supporting modes are analyzed, and the main support structure form .2suitable for this thesis is selected. Study on topological form of Truss structure. According to the variable density method, the multi-objective topology optimization design of the truss bracing structure studied in this paper is carried out, and the suitable truss initial structure is designed, and the initial structure is divided into various sub-structures. The influence of truss bar angle on the performance of substructure truss is studied. Research on Optimization Design of Front frame structure. According to the characteristics of optical system, the front frame structure of integrated supporting folding mirror and secondary mirror assembly is presented. First of all, according to the processing technology and the size requirements of the front frame, through the analysis and comparison of the different engineering materials commonly used in aerospace, the titanium alloy is selected as the development material of the front frame. According to the defect that there is no relation between constraint points in the method of modal topology optimization based on constraints, a new topology optimization method based on free mode and constraint mode is proposed to optimize the lightweight form of frame structure before design. The free mode analysis and MIMO free mode test of the developed front frame structure are carried out, and the correctness of the optimization and analysis method is verified. Optimization design of truss rod size based on dynamic objective. Based on the theory of random vibration, the assumption that strengthening the stiffness of the local region can reduce the random vibration response of the region is proposed. According to this viewpoint, a multi-objective dimension optimization method based on the minimum random vibration response of the mirror mounting point is proposed to optimize the size of the truss bar in this paper. The static mechanical analysis and test are carried out through the force and heat sample maneuver of the truss structure. The rationality of the design method is verified, and the correctness of the theoretical hypothesis proposed in this paper is verified. Heat dissipation design of truss structure. The characteristics of thermal deformation of off-axis space camera truss structure are studied. According to the principle of equal axial distance of truss bar after thermal deformation, the function relation of thermal expansion coefficient of each truss is calculated according to the requirement of optical tolerance. The range of thermal expansion coefficient of truss rod is calculated, and according to the design characteristics of thermal expansion coefficient of carbon fiber composite material, two factors, stiffness and coefficient of thermal expansion, are integrated. A lamination method of carbon fiber composite material for truss bar was designed to meet the performance requirements.
【學位授予單位】：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：V445.8

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本文編號：2203248