空间望远镜光机热集成灵敏度分析与主动热光学技术研究

The diffraction limit is requested to achieve or approach in the large space telescope, which had a high sensitivity on temperature variation. It is a significant challenge for the development of the large space telescope. The space telescope is very complex and the multidisciplinary knowledge would be involved. The structural-thermal-optical performance (STOP) sensitivity analysis could estimate the imaging quality comprehensively. It’s the newest development direction of the STOP. A genuine meaning STOP sensitivity analysis method is presented in this report. Based on parameter sensitivity analysis, the influence on optical quality generated by structural-thermal-optical design parameters could be disclosure through this method. The thermal-optical characteristic of optical system could be described more correctly. In this report, an active thermal-optical technology which based on temperature information is presented. The high accuracy temperature probe is used to reflect the optical characteristic of optical system. This technology could accomplish the real-time automatic focusing and the surface shape adjustment based on the integrated simulation database. Comparing with the traditional active optics technology, this technology has the advantages of low complexity, low demand for hardware and so on; therefore it is very fit to be applied in fact.

大型空间望远镜要求达到或接近衍射极限，对温度变化十分敏感，是望远镜研制中所面临的重大技术挑战。由于望远镜技术复杂度高，涉及学科范围广，因此需要进行光机热集成仿真。光机热集成灵敏度分析可以更全面地对成像质量进行评价，代表着光机热集成仿真的最新发展方向。本项目提出了一种真正意义上的光机热集成灵敏度分析方案，该方案开展参数灵敏度分析，可全面反映光机热参数对光学性能的影响情况，能够更准确地描述光学系统的热光学特性。本研究提出了一种用于空间望远镜的基于温度信息的主动热光学技术，该技术在光机热集成灵敏度分析的基础上，采用高精度温度传感器来反映其光学特性，基于光机热集成仿真数据库进行实时自主调焦和面形调整。该技术能够降低传统主动光学技术的复杂性、对硬件要求低，应用前景较好。

大型空间望远镜可免受大气扰动的影响，拍摄到的宇宙图像比地基望远镜更加清晰。通常情况下望远镜的主镜和桁架结构直接暴露在复杂多变的空间热环境中，不可避免地会产生较大的温度变化。但是，空间望远镜要求达到或接近衍射极限，对温度变化非常敏感，因此即使光机热等不同学科设计参数存在微小的变化，都会导致望远镜焦平面的像点移动超出允许范围，造成图像模糊，成像质量下降。本项目针对此问题，开展了大型空间望远镜光机热集成灵敏度分析和主动热光学技术研究。.在光机热集成灵敏度分析研究方面，本项目完成了一种真正意义上的光机热集成灵敏度分析方法，该方法开展参数灵敏度分析，可全面反映光机热参数对光学性能的影响情况，能够更准确地描述光学系统的热光学特性。为验证该方法的有效性，本项目采用典型的卡塞格林系统进行了光机热集成灵敏度分析。结果表明：相较于初始设计，不论高温工况还是低温工况，系统波像差值均有较大幅度降低，系统成像质量提高，系统波像差最终均控制在0.0325λ以内。本项目所发展的光机热集成灵敏度分析方法效果较好，具有很强的应用价值。.在主动热光学技术研究方面，本项目完成了一种温度传感器MF501 NTC热敏电阻的高精度标定及其测量不确定度评价方法，并在此基础上搭建了高精度测温系统。基于光机热集成分析技术，发展了一种基于温度信息的面形控制方法，并搭建了单镜效果验证系统。在该系统上开展了实验研究，结果表明：采用该控制方法，能够实现取消波前传感器、降低系统复杂度的效果。为了进一步深入，在上述研究的基础上，开展了光机热集成仿真验证和主动光学验证的实验研究，完成了9点主动支撑的680mm口径SiC实验镜、精密测温系统、以及力促动器及其控制系统，开展了主动热光学实验，结果表明：基于温度信息和9点主动支撑的主动热光学技术，可以校正90%以上的像散像差和三叶像差。本项目的建模以及控制方法有效，达到了项目的研究目标。.到目前为止，本项目已取得了多项研究成果，共发表论文12篇，基金号均为第一标注。其中SCI收录论文6篇，EI收录论文2篇。共授权发明专利4项，均为本项目核心技术成果。本项目光机热集成灵敏度分析研究成果，已在载人航天重大专项XX光学设施项目中得到了应用，有利支撑了工程项目的论证和关键技术攻关。