为了在地面制造环境下实现大口径空间非球面反射镜的零重力面形加工, 建立了基于重力卸载的高精度旋转检测工艺方法。首先对N次等间隔旋转法的基本原理进行了介绍, 并结合一块Ф1 290 mm ULE材料的非球面反射镜加工实例, 分别给出了旋转法实施环节中的旋转角度和偏心误差控制方法, 实际角度误差和偏心误差分别优于0.1°和0.1 mm。然后, 在低精度阶段采用了3次旋转法对检测结果进行处理, 主镜面形精度快速收敛至0.029λ-RMS; 同时由于应用旋转法而导致镜面上的对称性误差累积放大, 进行了针对性去除, 面形精度进一步收敛至0.023λ-RMS。最后, 采用了6次旋转法对检测结果进行处理并指导光学加工, 反射镜6个方向下的实测面形精度为0.012λ-RMS, 去除重力变形误差后面形精度达到了0.010λ-RMS, 该面形可以认为是卫星入轨后零重力空间环境下的反射镜面形。文中所述加工工艺方法不仅适用于米级口径, 还适用于更大口径空间非球面反射镜零重力面形的高精度加工。

针对空间光学遥感器对大口径主反射镜质量轻、面形精度高的要求, 设计了一种超轻量化SiC反射镜。首先确定反射镜的轻量化方案, 之后采用集成优化方法, 在ISight软件平台上集成几何建模、有限元分析和面形拟合等设计流程并自动化运行。反射镜结构参数为优化变量, 镜体质量和面形精度RMS值为目标函数。采用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)对集成优化模型进行多目标、全局性的优化求解。最后结合制造工艺调整优化结果, 得到反射镜的最终设计方案并仿真分析。结果表明, 反射镜的质量为11.4 kg, 面密度为37 kg/m2, 光轴水平工况下面形RMS值为1 nm, 一阶自由模态频率为1100 Hz。结果验证了所提出的集成优化方法的有效性。

针对空间遥感技术的迅速发展及其对空间探测精度需求的提高, 对研制更可行有效的超大口径空间光学遥感器的技术路线开展了研究。介绍了该领域已发射和计划发射的超大口径光学遥感器涉及的发展历史和结构特点, 以及它们的研究现状和应用领域, 主要包括整体式成像系统、分块可展开成像系统、光学干涉合成孔径成像系统和衍射成像系统等。分析对比了各种传感器的性能特点及现阶段的应用情况。最后, 考虑我国高分辨率、高成像质量空间光学遥感器的应用需求, 结合当前技术条件以及相关技术的发展趋势, 分别针对2~4 m大口径系统, 4~10 m超大口径系统和更大口径系统的成像需求提出了最佳解决方案。

考虑空间卫星平台微振动环境对高分辨率空间光学遥感器成像质量的制约, 提出了在地面测试光学遥感器耐受空间微振动环境裕度的六自由度激振平台的设计方案。建立了平台的运动学与动力学模型, 推导出促动器音圈电机的传递函数并建立了Simulink模型。基于设计的模型研制了六自由度平台。对振动平台样机进行了振动加速度控制精度的验证实验, 实验以典型的卫星平台微振动频率点为测试输入。实验结果表明平台振动频率为7~40 Hz时, 其加速度输出相对误差可控制在7%以内。该平台借鉴了Stewart平台的并联构型, 其结构简单、刚度大, 振源输出精确可控, 满足地面试验应用要求。

研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化，实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理，分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理，提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法; 针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象，求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示: Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%，而球面方程拟合法的计算精度为12.6%; 对仿真分析结果的误差评价表明，采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右，与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明，由于Zernike多项式拟合法自身的局限性，不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合，而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。

遮光罩是空间光学遥感器的重要组成部分, 是抑制空间光学遥感器杂散光的首要措施。遮光罩削弱杂散光效果的好坏直接影响到光学遥感器光学系统的成像品质。本文设计了一种满足离轴三反空间光学遥感器要求的大尺寸碳纤维/环氧复合材料遮光罩, 并结合有限元分析、杂散光分析及力学试验、光学系统传递函数检测手段来验证该遮光罩是否满足航天使用要求。结果显示, 各视场光学系统传递函数检测结果基本一致, 均在02以上。表明该大尺寸遮光罩具备良好的结构的稳定性、可靠性, 能够满足空间应用要求。

采用背部三点支撑方式的空间光学遥感器长条形反射镜目前尚无普遍适用的支撑点设置方法,只能对某一确定尺寸和长宽比的反射镜进行专门设计。本文提出了基于规则模型的、以参数化模型为核心的集成参数化设计方法,并建立了长条形实体反射镜背部三点支撑集成参数化模型。在集成环境中通过试验设计、响应面分析等方法对设计参数进行了分析和优化,结果表明在轴向重力工况,镜面面形峰谷(PV)值优于λ/10 (λ=632.5 nm)的设计要求下,长条形碳化硅反射镜背部三点支撑的最大适用尺寸为1 m。文中给出了最优支撑点布置,并确定了厚径比最优为1/10。最后,对集成参数化分析方法进行了精度分析,结果显示该方法整体误差为6.13%。提出的方法确定了空间长条镜背部三点支撑的适用范围,提供了支撑点最佳布置,为空间相机不同尺寸要求的长条镜设计打下了基础。

以某太阳同步轨道空间光学遥感器为例, 阐述了空间外热流分析计算、热平衡试验外热流模拟以及外热流程控加载的全过程。首先, 总结了空间光学遥感器外热流模拟的完整流程。其次, 简要介绍了太阳辐射、地球反照、地球红外辐射三种空间外热流的计算方法。然后, 对该空间遥感器进行了空间综合吸收外热流计算, 获得了阳照区及阴影区外热流平均值。最后, 确定了热平衡试验外热流的模拟方法和策略, 利用LabVIEW语言编写了程控电源开环控制程序, 实现了热试验外热流的准确加载。试验结果表明, 外热流值加载偏差在±2.5%以内, 满足热平衡试验要求。

提出采用基于变形镜(DM)本征模式的自适应光学波前误差校正方法校正高分辨率空间光学遥感器的在轨波前误差。该方法利用变形镜各致动器的影响函数得到一组符合导数正交关系的变形镜本征模式，以图像功率谱密度在低频区域的积分和为评价函数，根据本征模式系数与评价函数之间的关系直接求解出各阶模式所需的校正量。利用实测的37单元变形镜的影响函数得到变形镜本征模式，基于该模式对泽尼克像差进行了开环和闭环仿真校正，定量分析了相位偏置和图像频率范围对算法精度的影响。针对遥感器主镜镜面热变形误差给出了仿真校正结果，分析了图像噪声和不同遥感图像对算法校正精度的影响。仿真结果表明基于变形镜本征模式的自适应光学校正方法可以有效校正波前误差，算法收敛速度快，对图像噪声和内容不敏感，适合用于空间光学遥感器的波前误差校正。

根据空间应用电子设备的热控要求, 对空间光学遥感器的控制电箱进行了热控设计。首先, 总结了空间电子设备的热设计原则。针对空间光学遥感器控制电箱介绍了相应的热设计流程, 对典型的大功率器件进行了温差推算, 并说明了电箱的各电路板和大功率元器件的热设计方案。最后, 通过热分析和热试验手段对热控电箱的热控方案进行了验证。试验结果表明: 控制电箱的整机稳态工况热平衡温度小于30 ℃, 各元器件的最高壳温在542 ℃以内。结果验证了该设计方案完全满足设计指标要求。