针对温度影响的空间反射镜局部面形优化

机载红外系统主反射镜的拓扑优化设计李蕾;张葆;李全超【摘要】反射镜轻量化设计一直是光机结构设计领域的一项挑战性课题。

针对某机载红外光学系统的主反射镜，提出了一种基于 SIMP 拓扑优化方法的反射镜轻量化设计流程，建立了反射镜拓扑优化的数学模型，以最小化镜体自重和抛光载荷作用下的镜面矢高位移 RMS 值为优化目标，同时考虑对称约束和拔模约束，对反射镜进行了拓扑优化设计。

根据拓扑优化结果设计了新的反射镜轻量化结构，并将其与传统结构进行了对比。

采用拓扑优化方法设计的反射镜具有更高的轻量化率，同时能够获得较高的面形精度。

%The lightweight design of mirror has always been a challenging task in the field of opto-mechanical structure design. For the lightweight design of the primary mirror in an airborne infrared optical system, a lightweight mirror design procedure is proposed based on the SIMP topology optimization method. The mathematical model of topology optimization is established. With the objective of minimizing the RMS value of surface sag displacements under the load of gravity parallel to the optical axis and polishing pressure, the mirror is optimized by using topology optimization method while symmetry and casting constraint considered. According to the topology optimization result, a new lightweight mirror configuration is designed. The proposed mirror is compared with a traditional lightweight structure. The comparison results show that the lightweight ratio of the mirror obtained by using topology optimization method is higher than the traditional one. And a high optical surface accuracy can be achieved.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2016(038)008【总页数】5页(P648-652)【关键词】红外系统;主反射镜;轻量化设计;拓扑优化【作者】李蕾;张葆;李全超【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，吉林长春 130033; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，吉林长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，吉林长春 130033【正文语种】中文【中图分类】TH745机载红外系统是载机进行目标探测、搜索、警戒、预警的重要设备，在现代空战中起着举足轻重的作用[1]。

随机振动引起空间反射镜面形退化的机理研究孔富家; 白绍竣; 陈祥; 刘义良; 乔玉莉【期刊名称】《《航天返回与遥感》》【年(卷),期】2019(040)005【总页数】9页(P58-66)【关键词】随机振动; 空间反射镜; 横向残余应力; 面形退化; 航天遥感【作者】孔富家; 白绍竣; 陈祥; 刘义良; 乔玉莉【作者单位】北京空间机电研究所北京 100094; 北华航天工业学院廊坊 065000【正文语种】中文【中图分类】V423.9空间光学遥感器在运输以及发射过程中，力学环境可能造成遥感器某些结构的损坏，例如，电子线路的短路或断路、电子器件的损伤、光学镜头支撑结构或粘胶环节的破坏或断裂等[1-2]。

这些损坏能够导致遥感器传函下降甚至无法成像。

因此，光学遥感器合理的抗力学设计是其能够可靠工作的必要保障。

反射镜的支撑技术是空间光学遥感器研制过程中的关键技术之一[3-4]。

反射镜的支撑结构一方面要求反射镜组件具有足够高的刚度和强度，以满足运输和发射环境的要求；另一方面反射镜支撑结构需要具有一定的柔性，以卸载由于各零部件材料膨胀系数不一致而产生的热应力，防止热应力过大导致反射镜面形畸变，影响成像品质[5-6]。

反射组件在设计过程中通常需要借助有限元软件进行力学和热仿真分析，通过优化支撑结构使其满足空间反射镜支撑刚度与强度要求。

由于遥感器反射镜组件的结构复杂性和高性能的需求，国内外学者对反射镜组件设计方法及支撑结构进行了大量的研究：文献[7]等通过遗传算法设计了1m口径空间反射镜；文献[8]通过合理选择反射镜的支撑自由度，设计了低温下应用的碳化硅反射镜支撑结构；文献[9-10]研究了参数化方法在轻质反射镜和大口径反射镜结构设计中的应用；文献[11-13]利用拓扑优化方法进行反射镜组件的设计；文献[14]对大口径反射镜组件随机振动响应进行了分析研究，重点关注了反射镜加速度均方根响应和柔性支撑的应力响应与仿真结果的一致性；文献[15]研究了振动对反射镜胶连接的影响，重点关注了胶接反射镜的力学特性。

Ф210mm超薄超轻SiC反射镜多目标集成优化设计张雷;柯善良;李林;贾学志;杜一民【期刊名称】《光子学报》【年(卷),期】2017(46)12【摘要】为了提高轻小型碳化硅反射镜的面形精度并减轻其加工成本,针对某空间相机的Φ210mm SiC反射镜进行超轻量化设计.采用背部三点支撑并优化支撑点的位置,通过拓扑优化,得到反射镜背部需保留和可去除材料的分布情况.结合背部开放式、三角形孔的轻量化方案,确定反射镜轻量化结构的初始模型.应用多目标集成优化方法,建立以反射镜重量和X向自重工况面形为目标,Z向自重工况面形值为约束的优化模型,对该反射镜进行了优化设计.优化后反射镜的X向自重工况下RMS 值仅为0.18nm,Z向自重工况下RMS值为2.38nm,重量仅为0.568kg,面密度达到16.9kg/m^2,X、Y、Z三向基频都在500Hz以上.本文设计的反射镜结构有良好的力学性能,本文优化设计方法是合理有效性.【总页数】9页(P83-91)【关键词】超轻量化;拓扑优化;多目标;集成优化;随机振动【作者】张雷;柯善良;李林;贾学志;杜一民【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;长光卫星技术有限公司;中国科学院大学【正文语种】中文【中图分类】V423.4【相关文献】1.超轻量化SiC反射镜的优化设计 [J], 江浩;张雷2.超轻超薄反射镜主动支撑方案优化设计 [J], 倪颖;黄启泰;余景池3.Φ500mm超轻量化SiC反射镜结构优化设计 [J], 赵宇;苏成志;赵贵军;杨光4.大长宽比长条形SiC反射镜的优化设计与试验 [J], 魏磊;张雷;李宗轩;马冬梅5.超轻反射镜串联柔性支撑结构优化设计 [J], 张雷;柯善良;李林;贾学志;杜一民因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第３２卷第６期２０１１年１１月应　用　光　学Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ＯｐｔｉｃｓＶｏｌ．３２Ｎｏ．６Ｎｏｖ．２０１１收稿日期：２０１１－０４－２１；　修回日期：２０１１－０７－０５作者简介：彭扬林（１９８６－），男，湖南衡阳人，硕士研究生，主要从事光学检测方面研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｅｎｇｙａｎｇｌｉｎ２００７＠１２６．ｃｏｍ文章编号：１００２－２０８２（２０１１）０６－１１６６－０７大口径空间反射镜高精度面形检测的支撑技术研究彭扬林，戴一帆，陈善勇，王建敏，郑子文（国防科学技术大学机电工程及自动化学院，湖南长沙４１００７３）摘　要：由于空间失重状态与地面状态不同，大口径空间反射镜在地面检测时需要通过特殊支撑结构对其重力进行卸载，同时严格控制支撑力引入的反射镜变形，以满足反射镜高精度面形检测的要求。

通过对一口径７５０ｍｍ的空间ＳｉＣ非球面反射镜进行检测，对比分析检测结果和有限元仿真结果，研究支撑结构对反射镜面形所造成的影响。

主要针对吊带支撑和中心支撑进行详细的检测验证，分析其不能实现该反射镜高精度检测的原因；通过改进支撑方案，最后提出背板支撑，改善支撑变形的影响，不同角度下测量重复性达到纳米级，收到较好的检测效果，为该反射镜加工质量和加工效率的提升奠定了基础。

关键词：高精度面形检测；背板支撑；有限元分析；检测误差中图分类号：ＴＨ７４ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１１３２．０６０３００２Ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｆｉｇｕｒｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ－ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｓｐａｃｅ　ｍｉｒｒｏｒｓＰＥＮＧ　Ｙａｎｇ－ｌｉｎ，ＤＡＩ　Ｙｉ－ｆａｎ，ＣＨＥＮ　Ｓｈａｎ－ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｊｉａｎ－ｍｉｎ，ＺＨＥＮＧ　Ｚｉ－ｗｅｎ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＤｅｆｅｎｓｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００７３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｉｎ　ａｇｒａｖｉｃ　ｓｐａｃｅ，ｓｐｅｃｉａｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃ－ｔｕｒｅ　ｉｓ　ｄｅｍａｎｄｅｄ　ｔｏ　ｕｎｌｏａｄ　ｍｉｒｒｏｒ　ｇｒａｖｉｔｙ　ｗｈｅｎ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｌａｒｇｅ－ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｓｐａｃｅ　ｍｉｒｒｏｒｓ　ｏｎ　ｔｈｅｇｒｏｕｎｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｃｌａｍｐｉｎｇ　ｆｏｒｃｅｓ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ｓｔｒｉｃｔｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｔｏｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｆｉｇｕｒｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｅｓｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｏｎ　ａ　ｓｐａｃｅ　ａｓｐｈｅｒｉｃ　ｍｉｒｒｏｒ　ｍａｄｅ　ｏｆ　ＳｉＣ　ｗｉｔｈ　７５０ｍｍ　ａｐｅｒｔｕｒｅ．Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｎ　ｍｉｒｒｏｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｉｇｕｒｅ．Ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｃａｕｓｅｓ　ｏｆ　ｉｎｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｓｕｒ－ｆａｃｅ　ｆｉｇｕｒｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｓｔｒｉｐ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｅｎｔｒａｌ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｂａｃｋｂｏａｒｄ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｉｔ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｉｇｕｒｅ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｎｇｌｅｓ　ｒｅａｃｈｅｓ　ｎａｎｏｍｅｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ．Ｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄｔｏ　ｂｅ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｅｓｔｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｆｉｇｕｒｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ；ｂａｃｋｂｏａｒｄ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｅｓｔｉｎｇｅｒｒｏｒ引言随着空间光学技术发展对分辨率要求的提高，空间光学元件需要具有更大的口径。

超轻量化SiC反射镜的优化设计
江浩;张雷
【期刊名称】《电光与控制》
【年(卷),期】2017(024)007
【摘要】针对空间光学遥感器对大口径主反射镜质量轻、面形精度高的要求,设计了一种超轻量化SiC反射镜.首先确定反射镜的轻量化方案,之后采用集成优化方法,在ISight软件平台上集成几何建模、有限元分析和面形拟合等设计流程并自动化运行.反射镜结构参数为优化变量,镜体质量和面形精度RMS值为目标函数.采用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)对集成优化模型进行多目标、全局性的优化求解.最后结合制造工艺调整优化结果,得到反射镜的最终设计方案并仿真分析.结果表明,反射镜的质量为11.4 kg,面密度为37 kg/m2,光轴水平工况下面形RMS值为1 nm,一阶自由模态频率为1100 Hz.结果验证了所提出的集成优化方法的有效性.【总页数】4页(P66-69)
【作者】江浩;张雷
【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;长光卫星技术有限公司,长春 130102
【正文语种】中文
【中图分类】TH703
【相关文献】
1.超轻量化SiC反射镜的制备及性能 [J], 董斌超;张舸
2.超轻量化反射镜:C/SiC的最新进展 [J], 郝寅雷
3.长条形SiC空间反射镜轻量化结构优化设计 [J], 齐光;李景林;王书新;任建岳
4.Φ500mm超轻量化SiC反射镜结构优化设计 [J], 赵宇;苏成志;赵贵军;杨光
5.Ф210mm超薄超轻SiC反射镜多目标集成优化设计 [J], 张雷;柯善良;李林;贾学志;杜一民
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多光谱相机高稳定性光机结构设计技术蔡伟军;范斌;张凤芹;李庆林;魏鑫【摘要】According to the inner orientation elements and imaging quality requirements of mapping application to multi-spectral camera and combined with off-axis TMA system,High opto-mechanical stability design is introduced in this paper. Zerodurglass and Inva steel are widely used in the camera,because their low and tailorable thermal expansion coefficient （CET） can reduce the thermal sensitivity of the mirrors. By using four- point spherical hinge in reflector supporting structure,the stress in reflector assembling is eliminated,which ensures the stability of optical surface.An unloading structure based on the principle of flexible hinge is used for connection between the camera and the satellite. The structure reduce the deformation of camera structure caused by the change of thermal environment. Finally,the stability of the camera was validated by analysis and environment tests.%文章针对测绘应用对多光谱相机设计的技术要求,从影响相机内方位元素和在轨成像品质因素出发,结合三反离轴相机的特点,重点分析多光谱相机高稳定性设计（力学和热）。

温度环境下空间遥感光学系统成像质量的检测巩盾;田铁印;王红【摘要】On the basis of the theoretical thermal optical analysis of off-axis three-mirror systems, the image quality of a space remote sensing optical system in different thermal environments was tested by using a thermal optical experiment. After the actually measured temperature was inputinto finite element model, the surface aberrations of mirrors with temperature gradients were obtained using finite element analysis software, and the surfaces with aberrations were fitted with the Zernike Polynomials. Then, Zernike coefficients were input into the optical design software, and the imaging qualities of system with difference temperature gradients were ana- lyzed. Finally, the experimental results were compared. It shows that the theoretical analysis results are in a- greement with the measured results, proving that the analysis is correct. Measured Modulation Transfer Func- tions(MTF) at Nquist frequency are 0. 247 at 18 ℃ and 0. 221 -0. 254 between 14 -21 ℃ , which meet th e requirement of image quality.%在离轴三反射系统热光学理论分析的基础上，利用热光学实验测试了光学系统在不同热环境下的成像质量。