面向空间望远镜的变构型并联式多维微振动模拟技术研究

Space multiple degree-of-freedom (DOF) micro-vibrations are the main source, which degrades the image quality of the large space telescope. So the application of vibration isolator is necessary to improve the image quality of the space telescope. However, there is no effective micro-vibration simulation technique to reproduce the required vibration environment. As a result, it can not verify the performance of the vibration isolator effectively. To overcome the shortcomings of the existing technique, this study proposes a multiple DOF micro-vibration simulation technique for the space telescope. The micro-vibration simulation technique is composed of four key technologies, which are the configuration optimization method, the theoretical modeling method, the measurement technique and the control strategy. Fist, the method based on the pair of circular hyperboloids is adopted to optimize the dynamic performance and decoupling of the multiple DOF micro-vibration simulator (MMS). Second, the Kane method is applied to derive the dynamic model of the MMS. And a normative modeling method which is suitable for modeling the dynamic equations of the general parallel manipulator is then proposed. Third, the measurement technique which is used to measure the posture and accelerations of the MMS is researched. This technique involves many disciplines, such as the principle of laser imaging, geometry and the theory of the multi-body dynamics, etc. Finally, based on the automatic control theory and the primary research, the research of the control strategy which is proper to reproduce the low-frequency vibration waveforms and the high-frequency vibration spectrum is conducted. Predictably, the research result has great theoretical significance and practical value for development of large space telescope.

空间多维微振动是造成大型空间光学望远镜成像质量降低的重要因素，为保证望远镜成像质量，需要对其进采取隔振措施。然而目前缺乏有效的地面试验技术来模拟望远镜工作所处的微振动环境，因此无法验证该隔振措施的有效性。本研究针对现有试验技术的不足，拟开展面向空间望远镜的多维微振动模拟技术的研究。首先，使用复合单叶双曲面法对多维微振动模拟台的构型进行动态性能和解耦性的优化；其次，利用凯恩方法对模拟台进行动力学建模，并形成一种适合一般并联机构动力学建模的规范性建模方法；再次，基于激光成像原理、几何学和多体系统动力学对模拟台面进行六维位姿和加速度测量技术的研究，最后，利用自动控制原理并结合已有研究基础对模拟台开展低频振动波形复现控制技术和高频振动谱值复现控制技术的研究。本项目研究成果对于我国开展大型空间望远镜的研制工作具有十分重要的理论意义和现实价值。

对于具有大口径、高分辨率的空间望远镜，任何微小振动都会对其成像质量产生重大影响，严重时甚至造成空间望远镜无法正常工作，因此在研发大型空间望远镜时，充分的地面微振动试验是非常必要的。然而，空间微振动地面模拟技术是空间望远镜地面环境试验技术的一个重大挑战，基于此，本项目开展面向空间望远镜的变构型并联式多维微振动模拟技术研究。研究内容分为六部分，首先，研究微振动模拟台的工作机理及动力学规范性建模方法，利用投影变换思想推导得到微振动模拟台的动力学方程，为微振动模拟台控制器的设计与优化奠定基础；接着，提出微振动模拟台结构设计及构型优化方法，提出一种求解Gough-Stewart平台前六阶刚体模态的数值解法及一种构型优化算法，该算法考虑了驱动腿的动力学特性。然后，提出基于激光成像原理的空间六维位姿测量方法和一种六维加速度测量技术，通过使用6个单向加速度即可解算得到负载平台的空间六维加速度值，并给出了解算矩阵，该方法可操作性强，结构简单，利于项目的工程化应用。其次，提出三种面向多维微振动模拟台的微振动波形复现控制技术，基于动力学模型，提出一种能同时模拟低频振动波形高频振动谱的具有较强鲁棒性与稳定性的控制策略，实现对多维微振动模拟台的有效控制，达到模拟空间微振动的目的。同时，考虑到微振动模拟台高频振动的特点，提出一种基于传递函数的迭代控制算法，该算法通过激励法测试传递函数，针对实际系统存在一定非线性的情况，提出闭环迭代的控制策略对偏差进行修正。再次，介绍多维微振动模拟台电控系统设计。最后，开展多维微振动模拟台试验测试，微振动模拟台能够输出振动带宽为5~300Hz，平动振动量级为0.1mg~120mg，转动振动量级为0.01μrad~180μrad，振动频率误差最大为0.38%，量级误差最大为6%。项目的研究成果在一定程度了提升了多维微振动模拟技术水平，填补多维振动地面模拟技术的缺失部分，推动我国在大型空间望远镜领域的发展，具有重要的现实意义和科学价值。