Design and optimization of the restraining device of a space telescope primary mirror

The adoption in the space field of active optics, a well-known earth-based technology, would allow a significant increase of the dimensions of the space optical telescopes, with a consequent increase of their performances. This thesis activity aims to re-design the restraining devices of the Optical Breadboard (OBB) mirror. The OBB is a small scale demonstrator, designed and built within the LATT project. The OBB underwent a flattening optical test: the wavefront error requirement was not satisfied due to the strong shear deformation induced by the flexures around the gluing regions. During this thesis activity, a numerical procedure has been developed, in order to reproduce the optical behaviour of the mirror. Such procedure, consisting in a sequence of finite element analyses, has been correlated with the experimental results of the flattening test. Then, in order to minimize the residual wavefront error, a new flexure design has been evaluated through an optimization tool accounting both for the structural and optical behaviour of the mirror. The optical response of the mirror is computed with the numerical flattening test; the structural procedure of the optimizer ensures that flexures withstand launch lateral loads. Nevertheless, the optimizer results showed that the flexure minimum stiffness is not set by the structural requirements, but, rather, by the optical configuration itself. In addition, during the flattening test, the actuators are demanded to correct the gravity-induced deformations, even if the telescope will work in a micro-gravity environment. In order to estimate the residual wavefront error under a 0-g condition, a new optical test configuration has been proposed. Eventually, two different numerical/experimental tests are proposed in order to estimate the thermal deformation that should modify the mirror shape under operative conditions.

L'applicazione in ambito spaziale di sistemi ottici attivi già utilizzati su telescopi di terra permetterebbe un notevole incremento delle dimensioni dei telescopi ottici spaziali e quindi un conseguente aumento delle loro prestazioni. Questa attività di tesi è finalizzata alla riprogettazione del sistema di vincolo dello specchio dell'Optical Breadboard (OBB), un dimostratore per un telescopio spaziale ottico attivo, realizzato nell'ambito del progetto LATT. Uno dei test ottici, a cui l'OBB è stato sottoposto, ha evidenziato una eccessiva rigidezza dei supporti laterali con conseguente deformazione dello specchio intorno alle zone di incollaggio dei supporti. Ciò non ha permesso di soddisfare il requisito sul fronte d'onda residuo. Durante questa attività di tesi, è stato quindi costruito un modello numerico strutturale, correlato con i risultati sperimentali del test, che, per mezzo di una sequenza di analisi ad elementi finiti, riproduce il comportamento ottico dello specchio. Tale procedura è stata poi utilizzata per valutare nuove geometrie dei supporti, al fine di rispettare il requisito sul fronte d'onda residuo. E' stata quindi realizzata una procedura di ottimizzazione che, da un lato, verifica il soddisfacimento dei requisiti strutturali sotto i carichi di lancio, dall'altro, garantisce il minimo errore sul fronte d'onda. Tuttavia, i risultati della procedura di ottimizzazione hanno evidenziato che la configurazione con cui lo specchio è stato testato pone un limite minimo di rigidezza ai supporti, al di sopra dei valori richiesti dalle analisi strutturali. Inoltre, in tale configurazione si va a correggere la deformata dello specchio causata dalla gravità, sebbene questa condizione sia lontana dalla condizione operativa di micro-gravità. Si è quindi proposta una nuova configurazione di test, al fine di valutare la deformata residua dello specchio sotto micro-gravità. Infine, sono stati proposti due test, uno numerico ed uno sperimentale, per stimare le deformazioni termiche a cui è soggetto le specchio in orbita e quindi il corrispondente errore residuo sul fronte d'onda.