光机热一体化技术是一种综合考虑光学、结构力学和热力学影响的分析方法,应用于多种光学仪器的研究,最常见的是应用于空间光学系统的热控和热设计。分析过程是利用有限元软件对空间遥感器和星载光学系统建立结构和热分析模型,模拟空间环境对光学系统的作用,然后在光学设计软件中分析光学系统的成像质量变化。光机热一体化技术在航天探测方面应用非常广泛,航天器在设计制造阶段需经过大量的热控试验才能投入使用,耗费巨大,而使用光机热一体化技术可以预先模拟太空环境,能够节约巨大的成本,还能够统一地对航天器性能进行规划及设计,已经为航天部门广泛采用。本论文对光机热一体化技术中的关键问题进行了深入研究,提出了变形面型拟合算法及折射率不规则分布拟合算法,并将此算法应用于仿真试验中。论文取得的主要研究成果包括:1.深入地研究了热传递理论与有限元理论,分析了空间光学系统与外界、内部进行热交换的基础理论。在分析国内外光机热集成进展的基础上,总结了当前光机热一体化存在的问题。对光机热分析中的有限元理论进行了详细介绍,并推导了热传递中的数值模拟有限元方法。2.提出了热导致透镜形变面型重建的算法。空间光学系统受热环境影响,镜片受热各处有不同程度变形。这些面型形变在机械软件中以离散数据形式存在,光学软件不能直接接受这些离散数据。面型重建的算法是把形变量通过泽尼克算法求解为光学软件能够接受的泽尼克系数,从而达到面型重建的目的。论文中使用了圆域标准泽尼克多项式、最小二乘法、施密特正交等方法重建了变形后的镜面面型。3.提出了不规则折射率的概念以及热致折射率不规则分布拟合算法。光学系统受热不对称、不均匀时,各处温度不同,而折射率与温度正相关,以致各处折射率不同。在深入研究光线在变折射率介质中传输的特性后,提出了不规则折射率概念。在计算每个网格点的折射率之后,求取能近似代表这种折射率分布的梯度折射率系数,在此基础上提出了光学系统的折射率不规则分布拟合算法。4.对星敏感器进行了热平衡和热仿真试验。在热平衡试验中,详细介绍了热平衡实验流程,根据星敏感器在轨运行所处的空间环境,使用空间模拟器模拟了真空环境及冷黑环境。使用温度传感器和工装基准镜分别实时测量了星敏感器关键部位的温度和光学系统的光轴漂移。在热仿真实验中,把热平衡试验条件作为热仿真试验的初始条件,经过热分析、热应力分析,将仿真分析所得温度数据与热平衡试验测量所得温度数据进行了对比。根据面型形变拟合算法把光学系统透镜形变量拟合为泽尼克系数,然后计算了光学系统的光轴漂移并与热平衡试验中的工装基准镜所测量的结果进行了对比分析。5.分析了空间光学系统成像质量受热环境的影响。在深入探讨光学系统的成像质量的评价指标的基础上,计算了热变形以及折射率不规则分布对光学系统成像质量造成的影响。6.编制了光学软件与机械分析软件之间的接口。编写了提取变形前后透镜表面的坐标程序,对数据进行了统一化和规范化处理,为解决光学软件与有限元软件坐标系不一致问题,编写了坐标转换程序,编制了热致面型变形拟合算法系数求解程序以及热致折射率不规则分布算法系数求解程序。