摘要：为减小无拖曳卫星的残余姿态误差,设计了一种基于动量交换的指向稳定性调控机构。采用复合轴控制的原理,与无拖曳姿态控制回路相配合,可将卫星的指向稳定性精度提高到纳弧度量级,同时减少工质损耗,达到延长卫星寿命的目的。利用压电陶瓷设计了一套敏感轴动量交换机构,并基于卫星姿态动力学对小质量块运动所产生的附加干扰力矩进行推导和分析。分别对复合轴系统的主轴系统和子轴系统进行整定,计算出满足性能需求的系统带宽。采用前馈逆模型和自适应PID控制对压电陶瓷的非线性和卫星所受扰动进行补偿。最后,通过Adams和Simulink联合仿真验证系统整体的可行性。仿真结果表明:该机构的介入可以有效降低控制系统带宽,实现10 nrad·Hz^(-1/2)@1 mHz~1 Hz的指向稳定性控制。

摘要：本文针对引力波探测望远镜超低热变形要求,提出了通过设计CFRP铺层改变材料热胀系数的方法,进而解决桁架支撑结构热变形问题。同时针对望远镜装调性能的要求,给出了结构的分段式设计方案。文章首先分析了CFRP的优势、现有的消热化的方式和国内外研究进展,确定了以CFRP为关键材料的三杆式望远镜的方案,并提出了设计指标。其次建立了“材料-热变形、桁架结构-热变形”数学模型,针对材料铺层和结构设计进行优化,给出了优化方案。然后将CFRP材料应用于支撑结构中,采用分段式主支撑结构设计方案,降低了结构加工装调的难度,最后对整体结构进行分析。分析结果表明:机械性能方面,结构基频和最大重力卸载变形满足主支撑结构的要求;热变形方面,基于CFRP铺层特定优化设计的结构方案热变形为普通铺层方案的27.15%、Invar材料支杆方案的6.42%、SiC支杆方案的11.50%和钛合金支杆方案的3.21%,即优化设计可显著降低结构热变形。

摘要：光学系统中,为防止像差的引入造成成像质量下降,光学元件的准直与间距必须严格保证。所以,在光学仪器接口设计过程中,提高接口的重复性定位能力和降低接口的接触应力水平是非常重要的。在30 m望远镜(TMT)三镜系统设计过程中,三镜作为Ritchey-Chirtien(R-C)式光学系统中重要的光学元件,需严格保证其位置和姿态。三镜系统寿命周期中,由于清洗、镀膜的要求,需要多次拆装,为保证装配精度,需设计了一套定位用运动学接口。从运动学定位原理出发,使用赫兹接触理论以及IBM磨损理论对运动学接口进行了相应校核,并分析了影响运动学接口重复性定位精度的相应误差源,使用蒙特卡罗方法进行了相应仿真。另外,以三镜面形作为评指标,使用Ansys软件模拟了运动学接口,研究了接口参数对于三镜面形的影响。分析结果显示,在现有的设计及精度下,接口的接触应力水平满足使用要求,三个方向的重复性定位精度以及支撑效果能够达到设计指标。

摘要：研制了一个用于1.2m望远镜的次镜支撑结构,以满足其对刚度和伺服系统带宽的要求。首先,对影响主镜遮拦和支撑系统刚度的四翼梁进行研究。使用动力学建模方法,初选四翼梁结构的参数。然后在ANSYS中建立有限元模型,进行静力学和模态分析。最后,使用试验模态分析法测试设计的支撑结构。有限元分析显示,设计的结构受重力影响会引入0.004 2λ的切向彗差,第一阶模态频率约为57.2Hz。试验模态分析显示,系统第一阶谐振频率为54.1Hz,与理论分析和有限元分析结果一致。实验结果与仿真结果对比后显示:归一化的振型向量中叶片结构振幅较小时,实验模态较难提取,且实验结果略小于有限元分析结果,最大相对误差约为7%。设计的次镜支撑结构遮拦小、刚度好,满足使用要求。

摘要：30 m口径望远镜(TMT)的三镜跟踪系统(M3PA)的运动性能和指向精度指标均高于已建成的各大望远镜,且工况复杂多变,给设计人员带来了巨大的挑战。三镜跟踪系统包括Rotator轴和Tilt轴两部分。重点研究了Tilt轴轴承布置方案以及相应分析。提出了两种轴承方案,经过分析,使用一对双列角接触转盘轴承的方案更适合于Tilt轴的工作需要,此时结构第一阶谐振频率可达到15.1Hz,满足Tilt轴的设计要求。选定方案后,针对所选择的轴承,使用ANSYS进行了仿真。仿真结果显示,所选轴承中滚动体的最大承载达到5 000 N,最大应力大约为2 300 MPa,承载曲线满足经典余弦分布,从而证明仿真数据可靠,模拟方法可信;另外四列滚动体上都有明显的承载,从而说明所选择的轴系能够很好地将载荷分散到两侧结构架上。分析结果表明,这种结构形式能够满足TMT三镜系统对刚度要求。

摘要：为满足30m望远镜(TMT)三镜系统(M3S)对质量和刚度的要求,研究了合理分配该系统各部分刚度的方法。针对M3S的第一阶谐振频率不小于15Hz的要求,本文基于M3S的结构组成对模型进行适当地简化,然后使用前期设计数据建立了四质量点弹簧-质点模型。研究了三镜支撑系统支撑刚度的组成,使用特征值反解的方法得到了简化模型在6个广义方向上的刚度矩阵。最后,给出了系统中所有弹簧代表的刚度,并将这一简化模型和计算结果用来指导后期的结构设计和控制设计。使用运动学仿真软件Adams对分配结果进行了验证,验证结果显示,M3S各部分刚度配比合理,系统的基频能够达到15.1Hz,满足设计要求。采用本文的刚度分配方法,可以有效地提高系统设计的效率与合理性。

摘要：30 m望远镜三镜为长轴3.594 m,短轴2.536 m的椭圆形微晶玻璃反射镜。其支撑结构采用了多种柔性结构,以释放非支撑方向的自由度。使得轴向支承和侧向支撑能够相互解耦,并减小支撑结构与镜子材料的热胀系数不匹配带来的热应力。柔性件柔度越高,在望远镜观测条件的扰动下镜面面形越好。但过高的柔度会降低柔性件的屈曲临界载荷,导致结构发生屈曲失效。为此需要计算出望远镜观测过程中柔性结构所承受的最大压力载荷,计算相应的屈曲安全系数SFBuckling。对比了典型结构非线性屈曲分析和特征值屈曲分析的区别,不断迭代设计和分析,柔性元件的SFBuckling和柔度取得了一个较好的平衡点,热扰动下的面形也达到了设计要求。

摘要：针对地基大口径望远镜次镜系统加工精度和装调精度的要求,提出了基于拓扑优化的次镜系统结构设计方法。该方法利用变密度的拓扑优化思想,将次镜系统的Spider结构和Serrurier桁架的设计域限定为基结构,以期望方向的变形最小,通过材料的去留决定结构的最终形状和尺寸。首先,以相对密度为设计变量,Spider结构以1阶振型和重力方向变形为设计约束,桁架以X向和Y向变形为设计约束,建立各结构的拓扑优化模型;然后,以拓扑优化所得构型为基础,利用Workbench进行优化迭代;最后,设置优化参数,采用有限元法进行动静刚度分析和优化。结果显示4 m望远镜次镜系统的1阶谐振为22.7 Hz,光轴指向天顶和水平时重力方向偏移分别为-0.173 mm和-0.195 mm,并且Spider结构和Serrurier桁架的轻量化率超过30%。该结果验证了文中方法的有效性。

摘要：以TMT三镜系统为对象,对其中的Rotator组件用轴承进行了设计,并对轴承关键参数的选取进行了探讨。首先,通过分析三镜系统的运动模式确定了系统的受载状态;接着基于Hertz弹性变形理论,建立了双列角接触球轴承的载荷-变形公式,采用牛顿迭代法对轴向、径向、角位移量进行求解,得到每个钢球受载和变形的精确解;最后对该轴承设计中的一些关键参数选择对承载能力的影响进行了讨论。计算分析表明,在三镜工作角度范围内,光轴方向最大变形为0.022 mm,滚道面内各个方向变形小于0.042 mm,最大角变形量为3.5″,满足三镜系统的设计要求,并留有较大的设计裕度。建立的载荷分布方程及提出的参数选择原则对双列角接触球轴承的设计具有通用性,可适用于各种工况。

摘要：为探测到0.1 mHz~1 Hz频段的引力波,天琴、LISA、太极等空间引力波探测器编队(或星座)需在几十万到几百万公里量级的臂长上,实现pm级精度的测量。因此直接作为星间干涉测量光路一部分的望远镜面临巨大的技术挑战。空间引力波探测望远镜有超高精度和超高稳定性的特点。本文以LISA引力波探测器望远镜为研究对象,根据星间激光干涉测量核心指标10 pm/Hz^(1/2)@0.1 mHz~1 Hz的要求和引力波探测的实际需求,分析了望远镜的光学设计方案。在设计基础上,就材料选择、光学加工、装调及杂散光抑制等方面进行了分析和探讨,为后续望远镜的研制提供了参考依据。