与传统金属材料相比, 氧化铝纤维增强氧化铝基(Al2O3/Al2O3)复合材料因具有比强度高、密度低、耐高温和抗氧化等特点, 已经成为新一代备受国内外学者关注的航空航天热结构复合材料。本文介绍了目前常用的氧化铝纤维及其基本性能, 总结了Al2O3/Al2O3复合材料中常用的界面相及其对复合材料性能的影响规律, 归纳了Al2O3/Al2O3复合材料的制备工艺及性能, 指出了该材料未来的发展趋势, 旨在为国内Al2O3/Al2O3复合材料的研究提供借鉴和参考, 促进Al2O3/Al2O3复合材料在航空航天领域热端高温部件上的广泛应用。

望远镜的俯仰运动会使主镜相对镜室的位置发生改变, 进而影响望远镜的稳定成像。为了校正主镜位置变化,本文提出了利用液压支撑对主镜相对镜室位置进行实时控制,实现对主镜稳像的方法。利用实验室现有的1.23 mSiC主镜为监测目标搭建了测试系统, 设计了基于6个位移传感器的位置监测系统。在未启用和启用液压稳像技术两种状态下, 测试了主镜位置变化, 并对主镜位置进行解算, 试验结果表明液压支撑技术有确实的稳像效果。当镜室转动40°时, 未稳像的主镜其X向平移变化为150 μm, 绕X轴转角为2.5＂。采用液压稳像后, X向平移变化减小为3 μm而绕X轴转角减小为0.4＂。测试结果表明,基于液压支撑的主镜稳像技术可以实现对主镜位置的实时检测和控制。

采用柔性带式支撑方式的大口径光学反射镜与支撑带之间的静摩擦力对反射镜面形精度影响较大, 而且该影响难于直接定量测量。针对这一实际情况, 考虑到温度变化将引起静摩擦力状态变化这一规律, 建立了温度—静摩擦力间的关系表达式; 接着, 以反射镜所受静摩擦力与环境温度关系为基础, 通过测量不同温度下的反射镜面形精度, 间接推算出静摩擦力对反射镜面形精度的影响; 以1.2米SiC轻量化反射镜为研究对象, 利用干涉仪检测其柔性带式支撑机构在不同温度下的面形精度, 并利用实测数据推导出温度—静摩擦关系的相应系数; 最后借助ANSYS软件, 对带式支撑机构的受力情况进行仿真分析。实测结果与仿真分析结果一致性较好, 说明该研究方法可较为准确地推导出静摩擦力对大口径SiC轻量化反射镜面形影响。

30 m望远镜三镜是世界上最大的平面镜, 由于其复杂的功能, 又被称作大型科学可控反射镜(Giant Steering Science Mirror, GSSM)。为了更好地分析与抑制GSSM在实现光线中继功能时的抖动, 需要对抖动有精确的测量。由于GSSM抖动的要求特殊且严格, 在测量之前, 需要对抖动测量的误差进行仔细地分析与理解, 才可以更好地完成检测任务。首先, 文中针对使用编码器进行抖动测量的情况, 在不同的测量方案以及相对距离下, 通过蒙特卡洛方法可以得到由激光跟踪仪进行标定的误差: 俯仰轴线的定位误差, 在轴上测量的期望为1 μm, 小于轴外测量的3 μm; 方位轴线的定位误差在激光跟踪仪偏离两米的情况下为4.6 μm。之后对加速度计测量抖动的误差进行了考虑, 首先推导了使用功率谱方法的完备性条件; 之后使用累积功率谱对于333B32的标定结果进行处理, 得到当采样频率为2 048 Hz, 0.05 Hz以外的频段, 其精度为0.6 μm 。抖动的测量以及误差分析, 不仅是GSSM建设过程中十分重要的环节, 同时, 它可以为大口径望远镜建设提供宝贵的统计学先验知识, 并对于系统工程的发展是一种很好的推动。

根据4 m口径的SiC主镜特殊的使用要求，设计了一种辅助翻转设备实现其180°旋转。首先确定了翻转装置的主体构成包括主体框架、轴向支撑组件和径向支撑结构等。理论分析了反射镜在任意天顶角状态下轴向Whiffle-tree支撑结构和径向吊带支撑力的大小，并分析了使用吊带支撑下吊带对反射镜径向压力的大小。接着在设计实际结构的同时，运用有限元建模、重点分析了主体框架的刚度以及光轴竖直和光轴水平状态下镜子的应力情况以及翻转装置的最大刚体位移，根据分析结果设计了整个翻转装置的详细结构。最后根据设计和分析的结果，加工、安装了翻转装置，并采用加速度计测量了翻转过程对反射镜的冲击情况。实际应用和测试结果表明，翻转装置达到了设计要求，可以为类似的结构设计一定的指导。

由于地基大口径望远镜主镜视宁度与望远镜系统成像质量相关,本文研究了环境对主镜视宁度的影响.理论分析了影响主镜视宁度大小的因素,得出主镜视宁度会随主镜表面和环境之间温差的增大而增大的结论.利用有限元法分析了自然对流和吹风条件下主镜的温度变化和温度分布;最后通过相应工况条件下2 m SiC轻量化主镜的温度测试实验对仿真分析结果进行了验证.实验结果显示:在初始温差为6℃的无风自然对流情况下,主镜与环境达到温度平衡约需4 h;而在初始温差为8℃的吹风情况下,主镜与环境达到热平衡仅需1.5 h.分析和实验结果表明:采用强迫对流热控措施可快速而有效地将主镜视宁度控制在合理的范围内,可获得更多的望远镜观测时间,同时保证大口径望远镜系统的成像质量.

研制了一台LD侧面泵浦和腔内和频结构的小型全固态589 nm激光器, 报道了利用该激光器激发钠导星亮度的实验研究结果。通过数值模拟分析并设计了谐振腔腔长、晶体位置等, 使其具有体积小、转换效率高等特点。研制了一套时域匹配电源用于补偿两路激光脉冲的时间差。对分束镜双侧进行特殊镀膜, 获得了相应的线偏振光并提高了转换效率和热稳定性。采用插入标准具、特殊镀膜等技术抑制了1 338 nm谱线的振荡。最后设计了相应的发射望远镜和接收系统用于钠激光导星的观测。测试结果表明, 该激光器的输出功率大于8 W, 重复频率为5 kHz, 线宽小于3.5 GHz, 对应808 nm泵浦功率的转换效率达到2%。在长春市内天光背景下, 冬季实验激发的导星亮度可达10.0等。

根据发射望远镜的结构特点, 设计了口径为270 mm的梅逊反射无焦卡塞格林式发射望远镜并对其进行了装调与检测以满足激光发射及激光准直性的要求。基于光学原理确定了同轴反射式光学结构的设计方法和系统参数。用有限元分析方法对比桁架式与圆筒式主支撑结构以及三翼梁和四翼梁次镜支撑结构在不同工况下的变形, 选定桁架式三翼梁支撑结构用于该望远镜。通过设计适当的主、次镜装调结构, 配合干涉仪和自准直平面镜, 分析了次镜偏心引起的系统像差, 得到灵敏度矩阵并用于系统的装调和检测。得到的结果显示系统的波前误差RMS为0.146 7λ, PV为0.739 41λ (λ=632 nm)。检测结果表明, 桁架式结构的镜头能满足发射望远镜系统对像质的要求, 可实现激光发射并保证激光的准直性。

为了实现大口径望远镜的装调，基于离焦星点图的图像处理和分析，研究了RC式望远镜的装调技术。首先，根据横向几何像差分析离焦像点图像和系统装调误差之间的关系，重点讨论了横向误差中离心和倾斜导致的偏心彗差和内外轮廓圆的圆心位置偏离距离的关系，以及彗差消除后残余的像散导致外轮廓椭圆的偏心率随长轴增大而逐渐减小的特点。然后，分析了主次镜之间纵向误差导致的球差和最小圆半径大小的关系。最后，应用Zemax建模仿真验证了上述分析，总结了如何应用离焦星点图指导装调过程以及图像处理的方法。实验结果表明：无论是横向误差还是纵向误差，应用该方法得到的实验结果和理论分析值均符合得很好，其中通过倾斜调整彗差和偏心率调整像散误差均可控制在5%以内。