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随着人们对宇宙探索的不断深入,科学家们对天文观测仪器提出了越来越高的需求,这些需求主要体现在:要求天文望远镜的口径不断增大,并且要求在保证天文望远镜口径增大的条件下其观测分辨率和观测能力不断提高,而提高天文望远镜的观测分辨率和观测能力的最有效途径就是提高天文望远镜主光学镜面的面形精度。因此,为了满足这些需求,我们就必须想方设法满足在天文望远镜口径不断增大的同时提高天文望远镜主光学镜面的面型精度。然而如果采用老式的被动支撑设计方案来设计天文望远镜的话,将会使得天文望远镜的重量和造价以镜面直径的三次方的比例增加,这将会给大口径天文望远镜的研究和制造带来巨大的障碍。为了解决这一问题,主动光学技术应运而生。
主动光学技术的主要手段就是通过实时调节各个光学元件的变形以及位移用以抵消重力或者温度变化所带来的影响。薄反射镜面主动光学技术主要是通过主动调整薄镜面的变形来弥补光学波面的误差。采用主动光学技术不仅能够使得天文望远镜的重量以及造价大幅度的降低,与此同时还能大大的减小薄反射镜面由于加工等其他因素所产生的误差,故此,主动光学技术已经广泛的应用于薄反射天文望远镜镜面的研究和制造过程中。
本论文主要是以400mm弯月形薄反射镜面为研究对象,对其主动支撑系统进行结构设计并进行适当的优化。在设计的过程中,本文首先将有限元分析软件计算所得到的结果进行了统一格式处理,然后将处理后的结果采用不同的面形拟合方式通过Matlab仿真将其实现可视化,其次计算出在不同面形拟合分析中其面形RMS的大小,以此数值为依据,最后对弯月形薄反射镜面的主动支撑系统进行优化。为了实现这以上目的,本论文主要从以下四个部分进行了论述:
第一部分主要是介绍了主动光学的基本概念以及国内外在此领域内的研究现状。
第二部分主要是介绍了在研究薄反射镜面主动支撑结构在结构设计方面还存在的问题,并分析了造成这些困难的原因,进而根据这些原因,提出了以一种解决方法即结合面形拟合结果对其主动支撑结构进行设计,为了准确地得到各种情况下的面形拟合结果,我们进行三个彼此独立的设计过程(主动光学镜面CAE静力学分析结果标准化预处理软件的开发、面形拟合算法的仿真以及主动光学镜面面形分析可视化系统的开发),并依次对这三个开发环节进行了详细的介绍。
第三部分主要介绍了薄反射镜面主动支撑结构设计的基本理论。在这一部分,本文首先介绍了主动光学遵循的基本物理定律,从而得出了设计薄反射镜面主动支撑结构应该遵循的一般原则和规律,然后介绍了薄反射镜面主动支撑结构的圆板理论,为更好地理解支撑点与支撑圈之间的关系提供了理论基础,最后介绍了主动校正力的一般求解方法。
第四部分主要介绍了400mm薄反射镜面主动支撑结构的设计方案。本设计方案首先提出了薄反射镜面主动支撑结构最初的尺寸结构和材料参数,然后对其进行参数化建模,并对其关键参数进行了敏感度分析,最终对其进行了适当的参数优化,得到了较为满意的设计结果。