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1、南京理工大学硕士学位论文大型光电阵望远镜结构传热分析与设计姓名：厉建峰申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：李东波;吴连大20070704硕士论文 大型光电阵望远镜结构传热分析与设计摘 要大型光电阵望远镜是空间监测系统的重要组成部分，在观测空间卫星飞行器中发挥了巨大作用。由于光电阵望远镜结构复杂，观测环境恶劣，望远镜在观测一段时间后，出现了镜片结露的现象，影响了观测任务的顺利进行。而单个望远镜是整体光电阵观测系统的主要部件之一，所以对望远镜观测时出现的结露现象进行分析研究，具有一定的现实意义。本论文主要以望远镜的温度场和应力应变场分析为研究内容，基于三维模型的望远镜有限元热分析和结构分
2、析，计算了望远镜在各种观测环境下的温度场和应力场分布。本论文首先采用MSCPATRANNASTRAN分析平台对望远镜进行有限元计算与分析，得出了望远镜的温度场和应力应变的分布规律，通过实验室温度测试数据与分析计算的结果基本吻合，证明了有限元模型的正确性和可靠性。通过实验和有限元分析，可知望远镜镜片结露的主要原因是外部环境温度影响的，而通过加一层聚乙烯隔热层起到了防止结露的目的。其次，根据望远镜所安装的高寒环境，对望远镜结构进行应力应变分析，从而得出影响望远镜应力变形的主要因素，并且对极限环境下望远镜的设计分析提供依据，为今后的深入研究打下基础。本文通过实验温度测试的验证和有限元分析方法对望远镜
3、结构温度场、热应力应变的从分析研究，为殊环境条件下望远镜的分析设计计算问题提供了科学依据，为实际望远镜阵结构的安装调试成功奠定了基础，同时对我国此类空间观测望远镜的设计以及安装提供了可靠的参考。关键字：望远镜，温度场，结露，热应力，有限元分析第1页硬士论文 大型光电阵望远镜结构传热分析与设计ABSTRACTLarge photoelectric telescope is the key equipment in space monitoring systemtplays an Jmportam part in the space survey of space satellite and ai
4、r vehicleThe telescopestructure is complex and the clime temperature is lOW,on the lens there is formation ofdew,which affects the survey missionThe single telescope is oile of the most importantcomponents in the space monitoring system,SO the analysis and research fill thedew-formation has large re
5、alistic meansIn this thesis，it analyses the temperature field andthe stress field ofthe telescopeThe analysis is based on threedimensional modelFirst of all，we Iise analysis software MSCPATRANNASTRAN to calculate andanalyze by finite element method Oil the whole telescopeThe temperature field iscalc
6、ulated and the result of is aeeordanee with the experiment data from the laboratory,which proves the accuracy and the reliability ofthe calculation and the analysis埘tll finiteelement methodBy experiment and analysis with finite element method，the thesisproposes the measure for prevention ofdew-forma
7、tion with a layer ofpolyethyleneNextfrom the analysis of the stress field of the telescope we get the main factoraffecting the telescope distortion and stressThis provides the foundation for analysis anddesign of telescopes in the futureBy the atmlyzing and researching of the temperaturefield and th
8、e thermal stress oil the telescopeWe c趾supply scientific evidence for thedesign,calculation and晒ng for the salne telescopesKey words：Telescope Temperature field Dew-formulation Thermal s缸ess Finite elementanalysis第页声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机
9、构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。研究生签名居趟。m7年月J百学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名i乒型 1一研年月厂日硬士论文 大型光电阵望远镜结构传热分析与设计1绪论11大型光电望远镜阵简介111望远镜发展及其分类揭开人类文明史的第幕，天文学便占有显赫的一席，天文学的研究对象是天体，研究它们的位置、运动、结构演化规律。干
10、百年来，人们凭借天体投向我们的光束发现、探索、测量和研究它们；在近世纪，尤其是近几十年来，又扩展为接收天体发出的一切种类的电磁波和来自太空的各种基本粒子。和任何一门科学一样，天文科学也有其独具的特色：观察和测量，乃是整座天文学大厦的基石。不断创造和革新观测手段，乃是世世代代天文学家们永志不懈的奋斗目标。而在所有的天文观测仪器中，始终占据主导地位的则是天文望远镜“】。中世纪时，一位叫利波塞的荷兰眼镜商人在制造镜片时，发现凸透镜和凹透镜会在一起往外看时，远处东西就能变近。伽利略对这个发现极感兴趣，他用数学进行计算，研究用什么样的镜片、怎样组合在一起效果最佳。最后，伽利略做了两根管子，其中一个管子的
11、一端放凸透镜，加一根管子的一端放凹透镜，其中一根稍微细一点，正好套在加一根管子里可自由滑动。这样，观察时可以调节，选择合适的距离。经过反复的研制和试验，终于在1609年8月21日发明了世界上第一架能放大32倍的望远镜。伽利略用这个工具观察月球表面，又发现了木星旁边有四个卫星，在围绕木星运转。伽利略把他的天文发现经星体通报向世界报道，引起知识界的震动。经过近400年的发展，人类的观测手段越来越丰富，观测设备越来越精良。随着人类科技的不断进步，激发其人们对宇宙奥秘的强烈兴趣，而观测和测量宇宙的最基本工具就是天文望远镜。一般天文望远镜以构造来分类，可分为折射望远镜、反射望远镜及折反射望远镜三大类。其
12、中折射式望远镜使用起来比较方便，视野较大；反射式望远镜光学系统简单，价格便宜；而折反射镜兼顾了折射镜和反射镜的优点，倍受国内外天文爱好者欢迎。112空问碎片监铡望远镜空间碎片监测望远镜，也即通常我们所说的大型光电望远镜阵。所谓空间碎片，是指天然陨星体和人类航天活动如火箭、卫星残骸等在空间形成的废弃物的统称，也就是人们常说的“太空垃圾”。有关资料显示，人类自开始进行航天活动40多年来，遗留在太空轨道上的空间碎片日益增多。而现在工作在太空中的航天器都是“不设防”第l页的，在庞大的“垃圾场”中飞行，一旦遭到碎片豹碰撞后果将不堪设想40。空间碎片是人类空间活动的产物，它包括完成任务的火箭箭体和卫星本体
13、、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间的碰撞产生的碎块等，是空间环境的主要污染源。目前可被地面观测设备观测并测定其轨道的空间物体超过9000个，其中只有6是仍在工作的航天器，其余为空间碎片。随着航天事业的发展，空间碎片与日俱增，滞空时间相当漫长，碎片之间相互碰撞或爆炸又产生新的、体积更小的空间碎片，据估计直径大于lcm的空间碎片数量超过了11万个，大于1m的空间碎片超过了3500万个拍1。空间碎片的存在对航天器和航天任务的影响日益严重，特别是加大了载人航天的潜在危害。另外，空间碎片再入大气层时，会对地面的生命财产安全构成严重威胁，以核能为动力的航天器陨落时，由于放射性物质的
14、大面积扩散，对环境的化学和放射性污染后果更为严重。各种载人飞船、探测器、人造卫星纷纷升空，拓宽了人类探索未知领域的视野，但是散落在太空中的人为碎片已成为太空交通的一大安全隐患。据了解，地面望远镜和雷达能观测到的空间碎片大约每年净增200个，它们主要集中在地球同步轨道、半同步轨道高度区域和2000公里以下的高度区域。目前，大大小小的空间碎片已超过4000万个，造成了空间环境的污染。这些碎片虽然体积小，但是运行的速度极快，超出音速几倍，一旦与正在工作的航天器相撞，很容易将航天器撞坏。1957年10月4日，前苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星，揭开了人类空间时代的序幕，同时也为太空送去了第一批垃圾(
15、空间碎片)。在人类太空史上，太空垃圾造成的事故和灾难屡见不鲜。1983年，美国航天飞机“挑战者”号与一块直径02毫米的涂料剥离物相撞，导致舷窗被损，只好停止飞行。前苏联的“礼炮一7”号轨道站也多次被此类“尘埃”损坏。1986年，“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不久便爆炸，成为564块10平方厘米大小的残骸和2300块小碎片，这枚火箭的残骸使两颗日本通信卫星“命赴黄泉”!随着人类太空史上的一次次壮举，太空垃圾与日俱增。人类先后已将4000余颗卫星送入太空，目前仍在正常运转的仅有400余颗，其余的或坠毁于地球表面，或遗留在太空，成为太空垃圾。据统计，目前约有3000吨太空垃圾在绕地球飞奔，而其数量正
16、以每年2一5的速度增加。科学家们预测：太空垃圾以此速度增加，将会导致灾难性的连锁碰撞事件发生，如果不加控制，到2300年，任何东西都无法进入太空轨道了”。由于对空问碎片环境以及其对人类航天事业发展潜在危害的逐渐认识，国外从上个世纪七十年代末开始关注空间碎片研究，联合国有关机构和世界各航天国家对这一问题也越来越重视。我国是一个航天大国，无论是从保护空间环境，维护我国的外空权益，树立我国航天形象，还是从提高我国空间飞行器在轨运行的寿命，保障载人航天安全等方面出发，都需要加强对空间碎片的观测、减缓和防护研究。1995年6月，第2页硕士论文 大型光电阵望远镜结构传热分析与设计经国务院批准，我国以国家航天局的名义加入了机构问空间碎片协调委员会(IAI)C)。自1995年以来，国家航天局开展了空间碎片领域的研究。并通过外交部向联合国外提交了空间碎片问题研究在中国的研究报告，阐明了我国重视空间环境保护，加强空间碎片研究，严格控制空间碎片的原则立场。2000
