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望远镜中的焦平面结构是为在轨可更换光学载荷提供支撑的重要部分,为了保证光学载荷的成像质量,焦平面结构要为光学载荷提供稳定支撑,同时由于在轨可更换这一应用需求,光学载荷在更换后要具有良好的重复位置精度,这对望远镜的成像效果至关重要。本文依托在研国家重大工程项目,以大型望远镜焦平面结构为研究对象,从理论分析、结构设计、工程分析、试验验证等方面展开研究。研究内容主要包括焦平面结构的设计,光学载荷重复定位转角精度的研究,光学载荷焦面重复定位精度的研究,详细研究内容分别叙述如下:焦平面结构由提供支撑的载荷框架结构,保证光学载荷位置的定位机构,抵抗运输发射等阶段的力学冲击的锁紧机构,以及在更换时为光学载荷引导方向的导向机构组成。本文分别对这几部分进行了结构设计,其中的定位机构采用“3-2-1”运动学定位方式并支持宇航员在轨快速更换,锁紧机构可自动锁定与解锁,同时支持宇航员手动解锁。针对光学载荷的重复定位转角精度展开研究,根据微小角位移的矢量性,利用矢量的合成与分解,对光学载荷绕坐标轴转角的数学模型进行推导,得到转角大小与定位机构配合间隙及定位机构相对位置关系之间的数学关系式。并提出了光学载荷重复定位转角精度检测方法,建立试验装置进行检测,结果表明在光学载荷包络尺寸达到的350×860×1120mm情况下,其绕三轴转角均不大于±8.5″。根据坐标系变换原理,研究了光学载荷中的焦面绕焦面坐标系的重复定位平移精度及转角精度。分别建立了焦面的边缘点平移量与焦面转角量的数学模型,利用Mathematica分别求解了平移量和转角量的范围,确定了重复定位精度,在光学载荷包络尺寸为980×860×1120mm的情况下,焦面的平移精度为x方向不小于±0.041mm,y方向不小于±0.029mm,z方向不小于±0.033 mm;转角精度为,焦面绕x轴转角精度不小于±11.05″,绕y轴转角精度不小于±10.57″,绕z轴转角精度不小于±10.77″。利用有限元仿真软件,对焦平面结构进行动力学和静力学仿真。通过模态分析校核载荷框架结构、锁机机构以及焦平面结构整体的刚度,通过静力学分析校核在7g加速度发射状态下锁紧机构中卡爪的应力应变状态,分析结果均处于理想状态。搭建试验装置验证在温度变化时定位机构是否能有效释放内应力,实现运动学定位。为了突出试验效果便于测量变形量,试验中用热膨胀系数较大的铝板模拟光学载荷,用激光跟踪仪跟踪铝板上点的位置变化,试验结果有效验证了定位机构满足“3-2-1”运动学定位原理,能够有效释放热应力。