【摘要】：現(xiàn)代空間遙感相機大都采用輕型材料及輕量化的方法對其主反射鏡進行輕量化設(shè)計,旨在減輕其質(zhì)量,在降低發(fā)射成本及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計難度的同時,盡量控制光學(xué)表面的自重變形、提高結(jié)構(gòu)的比剛度。碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)的玻璃和金屬材料相比,具有密度低、比剛度及比強度高、可輕量化設(shè)計、熱膨脹系數(shù)小、易復(fù)制、無毒、不需特殊設(shè)備等特點,是較為理想的反射鏡材料。國內(nèi)對于碳纖維反射鏡的研究基本處于理論或?qū)嶒炇已芯侩A段,并沒有對碳纖維反射鏡組件的優(yōu)化設(shè)計、制備成型及光學(xué)加工等形成系統(tǒng)的技術(shù)方案。鑒于當(dāng)前國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域研究成果的不足,本文圍繞碳纖維反射鏡及其支撐結(jié)構(gòu)這一主題展開了系統(tǒng)的探討和研究。針對碳纖維鋪層的方向、順序及厚度會嚴重影響碳纖維反射鏡面板剛度及面形精度的問題,詳細闡述了碳纖維反射鏡鋪層的剛度設(shè)計原則、力學(xué)計算方法及材料選取,采用經(jīng)典層合板理論建立了碳纖維對稱層合板的理論模型,通過正則化剛度系數(shù)法并結(jié)合有限元分析,優(yōu)化設(shè)計出了一種碳纖維準各向同性鋪層方式[0°/90°/30°/-60°/60°/-30°]_S,使得碳纖維反射鏡能夠較好的承載力熱載荷并保證其面板的面形精度。針對碳纖維反射鏡對于比剛度、面形精度及熱穩(wěn)定性等的要求,設(shè)計了一種口徑為?360mm,采用側(cè)面三點支撐方案、三角形加強筋網(wǎng)格的背部半開放式超輕碳纖維反射鏡。運用Isight集成軟件及光機集成優(yōu)化方法,以碳纖維反射鏡的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為變量,以面形精度和質(zhì)量作為優(yōu)化目標,開展了全局性、自動化的多目標優(yōu)化。針對不同支撐結(jié)構(gòu)形式對碳纖維反射鏡面形精度的影響問題,采用MATLAB理論計算及光機集成優(yōu)化方法設(shè)計出了一種Bipod柔性支撐結(jié)構(gòu),研究了Bipod柔性支撐結(jié)構(gòu)的各項敏感尺寸參數(shù),得出了Bipod柔性支撐結(jié)構(gòu)的支撐點位置必須與碳纖維反射鏡質(zhì)心共面的結(jié)論。在確定了Bipod柔性支撐結(jié)構(gòu)的最優(yōu)尺寸參數(shù)后,對整個碳纖維反射鏡組件進行了力學(xué)仿真分析,得到了碳纖維反射鏡組件的剛度特性及動力學(xué)特性。針對碳纖維反射鏡制備過程中的纖維印透現(xiàn)象、面板復(fù)制精度及鍍膜工藝等問題,提出了一種合理有效的碳纖維反射鏡制備工藝。采用鏡面復(fù)制法同時結(jié)合高壓釜成型及模壓成型工藝制備了?360mm的碳纖維反射鏡,并通過真空注射成型工藝在其鏡面上附著一層均勻厚度的氰酸酯層來有效降低其表面的纖維印透現(xiàn)象,系統(tǒng)地介紹了碳纖維反射鏡的制備成型工藝、鍍膜、超精密加工及光學(xué)精磨拋光等技術(shù)。針對碳纖維反射鏡組件的動力學(xué)特性,完成了碳纖維反射鏡與Bipod柔性支撐結(jié)構(gòu)的粘接試驗,并通過動力學(xué)試驗獲得了碳纖維反射鏡組件的一階固有頻率和動力學(xué)響應(yīng)信息,驗證了Bipod柔性支撐結(jié)構(gòu)承受動力學(xué)響應(yīng)的能力,利用試驗測試結(jié)果,驗證了有限元分析的準確性。本文系統(tǒng)地研究了碳纖維反射鏡組件的優(yōu)化設(shè)計、制備成型、光學(xué)加工及試驗檢測等技術(shù)。經(jīng)有限元分析可得優(yōu)化設(shè)計后的碳纖維反射鏡組件在檢測工況下的面形精度優(yōu)于λ/50。采用鏡面復(fù)制法制備了碳纖維反射鏡,制備完成后的碳纖維反射鏡的質(zhì)量僅為1.85kg,密度為1.78 g?cm~(-3),具有較高的抗彎強度(300MPa)、斷裂韌性(3.5 MPa?m~(1/2))及較低的熱膨脹系數(shù)(-1.23×10~(-6)),同時,碳纖維反射鏡組件的質(zhì)量為2.45kg,其一階自然頻率為362Hz,動力學(xué)性能良好,柔性支撐環(huán)節(jié)工作穩(wěn)定可靠。經(jīng)過初步精磨拋光后的?360mm碳纖維反射鏡的面形精度(RMS值)為0.045λ,優(yōu)于λ/20(λ=632.8nm),處于國內(nèi)領(lǐng)先水平,這說明碳纖維復(fù)合材料制備超輕反射鏡的性能較好,工藝可行,對今后制備大口徑甚至超大口徑的超輕碳纖維反射鏡具有一定的參考價值。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH74
【圖文】：

超輕碳纖維反射鏡及支撐技術(shù)研究性和加工特性決定了其可以制成背部開放式或半開放式的輕量化反射鏡。Kepler望遠鏡和 Hubble 望遠鏡的反射鏡均采用 ULE 材料并完成了輕量化設(shè)計，但輕量化程度有限，如圖 1.1 所示。Lindig 等學(xué)者對微晶玻璃的尺寸穩(wěn)定性進行了研究，并對比了其與 SiC 和鈹?shù)茸鳛榭臻g反射鏡材料的優(yōu)缺點[4]，最后，他們總結(jié)出微晶玻璃反射鏡的加工技術(shù)發(fā)展相對完善，經(jīng)濟適用，比較適合在工作環(huán)境相對穩(wěn)定的條件下使用。

圖 1.2 Spitzer 望遠鏡的主反射鏡圖 1.3 JWST 望遠鏡的金屬鈹反射鏡合陶瓷材料碳化硅 SiC 在空間反射鏡中的應(yīng)有較高的比剛度，并且能達到較高的輕量化率高，能快速達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，并降低熱變

圖 1.3 JWST 望遠鏡的金屬鈹反射鏡近年來，新型復(fù)合陶瓷材料碳化硅 SiC 在空間反射鏡中的應(yīng)用越來越廣泛，其最顯著的優(yōu)點是具有較高的比剛度，并且能達到較高的輕量化水平。雖然其熱膨脹系數(shù)大，但熱導(dǎo)率高，能快速達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，并降低熱變形。SiC 材料可以通過控制材料組成及成型工藝來改變其相關(guān)物理特性，且可以通過表面改性實現(xiàn)鏡面致密，達到光學(xué)加工要求[8]。SiC 的成型工藝主要包括熱壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、化學(xué)氣相沉積(CVD)及物理氣相沉積(PVD)等，可采用不同的成型工藝制備出背后開放式或半開放式的輕量化反射鏡結(jié)構(gòu)。圖 1.4 為 Herschel 望遠鏡的 3.5m SiC主反射鏡[9]。3

【參考文獻】

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本文編號：2802660