碳纤维增强聚合物复合材料薄镜的非球面成形

下一代空间望远镜的发展受制于主反射镜口径增大带来的重量的急剧增加。目前在研的几种轻质镜面中，碳纤维增强聚合物复合材料薄镜以其优异的物理和热学性能，低于5Kg/m2的面密度，成形方法简易，性能可设计，镜面无需抛光、可复制、可弯折等优点有望成为下一代大口径空间轻质望远镜镜面。目前碳纤维增强聚合物薄镜研究的主要问题是面形精度低，制作非球面模芯的成本高、周期长。本申请采用高精度玻璃球面模芯代替一般的金属球面模芯进行碳纤维增强聚合物薄镜的复制成形，用主动支撑的单层的薄镜结构代替传统的蜂窝式结构，并借助主动光学技术，将球面的反射镜变形成共轴或离轴的非球面镜。为此将着重对碳纤维增强聚合物薄镜非球面成形的机理和方法进行理论和仿真分析，并通过实验验证非球面的面形精度。本研究为高精度低成本的非球面碳纤维增强聚合物薄镜的成形提供了一种新途径，为其在大口径轻量化的空间望远镜的应用进行基础研究。

碳纤维增强聚合物（简称CFRP）复合材料反射镜是下一代空间望远镜的候选之一。CFRP反射镜的关键问题是面形精度低，制作非球面模芯的成本高周期长。为此，本项目提出用高精度玻璃球面模芯进行CFRP反射镜的复制成形，借助主动光学技术，将单板的CFRP球面反射镜变形成共轴或离轴的非球面镜。项目主要完成了CFRP反射镜的铺层设计方法和工程分析，0.35米微晶玻璃模芯的加工和工艺仿真，0.35米CFRP反射镜的加工、测试、镀膜及工艺仿真，主动成形实验装置的设计与装配，CFRP反射镜主动成形分析，0.35米CFRP反射镜抛物面成形实验。重要结果和关键数据：1、提出了一种铺层设计优化方法，最大限度地提高了弯曲刚度的准各向同性，可使重力和热载荷下镜面的变形更对称，基频更高，主动成形后应力更小，铺层角度误差敏感度更小。2、微晶玻璃模芯在热压时产生的半径和面形误差可以忽略，且应力较小，不足以引起破裂。3、单板0.35米CFRP反射镜实际面形误差PV在毫米和亚毫米级，大大超过预期，降低了后续主动成形的精度。4、分析的CFRP反射镜固化面形误差远小于实测值，表明还有其它误差源。5、环形排布可有效减少致动器个数，当致动器面密度在413个/m2时，使抛物面误差从11.51μm PV和2.918μm RMS分别减小到603.9nm和80.34nm（94%口径），RMS精度提高了35倍；三角形排布使误差减小到448.2nm PV和72.03nm RMS，RMS精度提高了39倍（1014个/m2），可适用于中红外以上波段的望远镜，要达到可见光要求可适当降低初始面形误差。6、CFRP反射镜主动成形实验使抛物面误差从381.9μm PV和78.63μm RMS分别减小到5.832μm和848nm（致动器面密度510个/m2），RMS精度提高了91倍。分析和实验都体现了CFRP反射镜极强的主动变形能力，证明了CFRP反射镜的非球面成形是有效和可行的。本项目为高精度低成本的非球面CFRP反射镜的成形提供了一种新途径。