超轻碳纤维反射镜及支撑技术研究

发布时间：2020-08-24 16:00

【摘要】：现代空间遥感相机大都采用轻型材料及轻量化的方法对其主反射镜进行轻量化设计,旨在减轻其质量,在降低发射成本及支撑结构设计难度的同时,尽量控制光学表面的自重变形、提高结构的比刚度。碳纤维复合材料与传统的玻璃和金属材料相比,具有密度低、比刚度及比强度高、可轻量化设计、热膨胀系数小、易复制、无毒、不需特殊设备等特点,是较为理想的反射镜材料。国内对于碳纤维反射镜的研究基本处于理论或实验室研究阶段,并没有对碳纤维反射镜组件的优化设计、制备成型及光学加工等形成系统的技术方案。鉴于当前国内相关领域研究成果的不足,本文围绕碳纤维反射镜及其支撑结构这一主题展开了系统的探讨和研究。针对碳纤维铺层的方向、顺序及厚度会严重影响碳纤维反射镜面板刚度及面形精度的问题,详细阐述了碳纤维反射镜铺层的刚度设计原则、力学计算方法及材料选取,采用经典层合板理论建立了碳纤维对称层合板的理论模型,通过正则化刚度系数法并结合有限元分析,优化设计出了一种碳纤维准各向同性铺层方式[0°/90°/30°/-60°/60°/-30°]_S,使得碳纤维反射镜能够较好的承载力热载荷并保证其面板的面形精度。针对碳纤维反射镜对于比刚度、面形精度及热稳定性等的要求,设计了一种口径为?360mm,采用侧面三点支撑方案、三角形加强筋网格的背部半开放式超轻碳纤维反射镜。运用Isight集成软件及光机集成优化方法,以碳纤维反射镜的结构尺寸参数为变量,以面形精度和质量作为优化目标,开展了全局性、自动化的多目标优化。针对不同支撑结构形式对碳纤维反射镜面形精度的影响问题,采用MATLAB理论计算及光机集成优化方法设计出了一种Bipod柔性支撑结构,研究了Bipod柔性支撑结构的各项敏感尺寸参数,得出了Bipod柔性支撑结构的支撑点位置必须与碳纤维反射镜质心共面的结论。在确定了Bipod柔性支撑结构的最优尺寸参数后,对整个碳纤维反射镜组件进行了力学仿真分析,得到了碳纤维反射镜组件的刚度特性及动力学特性。针对碳纤维反射镜制备过程中的纤维印透现象、面板复制精度及镀膜工艺等问题,提出了一种合理有效的碳纤维反射镜制备工艺。采用镜面复制法同时结合高压釜成型及模压成型工艺制备了?360mm的碳纤维反射镜,并通过真空注射成型工艺在其镜面上附着一层均匀厚度的氰酸酯层来有效降低其表面的纤维印透现象,系统地介绍了碳纤维反射镜的制备成型工艺、镀膜、超精密加工及光学精磨抛光等技术。针对碳纤维反射镜组件的动力学特性,完成了碳纤维反射镜与Bipod柔性支撑结构的粘接试验,并通过动力学试验获得了碳纤维反射镜组件的一阶固有频率和动力学响应信息,验证了Bipod柔性支撑结构承受动力学响应的能力,利用试验测试结果,验证了有限元分析的准确性。本文系统地研究了碳纤维反射镜组件的优化设计、制备成型、光学加工及试验检测等技术。经有限元分析可得优化设计后的碳纤维反射镜组件在检测工况下的面形精度优于λ/50。采用镜面复制法制备了碳纤维反射镜,制备完成后的碳纤维反射镜的质量仅为1.85kg,密度为1.78 g?cm~(-3),具有较高的抗弯强度(300MPa)、断裂韧性(3.5 MPa?m~(1/2))及较低的热膨胀系数(-1.23×10~(-6)),同时,碳纤维反射镜组件的质量为2.45kg,其一阶自然频率为362Hz,动力学性能良好,柔性支撑环节工作稳定可靠。经过初步精磨抛光后的?360mm碳纤维反射镜的面形精度(RMS值)为0.045λ,优于λ/20(λ=632.8nm),处于国内领先水平,这说明碳纤维复合材料制备超轻反射镜的性能较好,工艺可行,对今后制备大口径甚至超大口径的超轻碳纤维反射镜具有一定的参考价值。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：

超轻碳纤维反射镜及支撑技术研究性和加工特性决定了其可以制成背部开放式或半开放式的轻量化反射镜。Kepler望远镜和 Hubble 望远镜的反射镜均采用 ULE 材料并完成了轻量化设计，但轻量化程度有限，如图 1.1 所示。Lindig 等学者对微晶玻璃的尺寸稳定性进行了研究，并对比了其与 SiC 和铍等作为空间反射镜材料的优缺点[4]，最后，他们总结出微晶玻璃反射镜的加工技术发展相对完善，经济适用，比较适合在工作环境相对稳定的条件下使用。

图 1.2 Spitzer 望远镜的主反射镜图 1.3 JWST 望远镜的金属铍反射镜合陶瓷材料碳化硅 SiC 在空间反射镜中的应有较高的比刚度，并且能达到较高的轻量化率高，能快速达到热稳定状态，并降低热变

图 1.3 JWST 望远镜的金属铍反射镜近年来，新型复合陶瓷材料碳化硅 SiC 在空间反射镜中的应用越来越广泛，其最显著的优点是具有较高的比刚度，并且能达到较高的轻量化水平。虽然其热膨胀系数大，但热导率高，能快速达到热稳定状态，并降低热变形。SiC 材料可以通过控制材料组成及成型工艺来改变其相关物理特性，且可以通过表面改性实现镜面致密，达到光学加工要求[8]。SiC 的成型工艺主要包括热压烧结、反应烧结、化学气相沉积(CVD)及物理气相沉积(PVD)等，可采用不同的成型工艺制备出背后开放式或半开放式的轻量化反射镜结构。图 1.4 为 Herschel 望远镜的 3.5m SiC主反射镜[9]。3

【参考文献】

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1 左玉弟;李宗轩;谢晓光;金光;解鹏;;碳纤维带状弹簧的特性计算及实验[J];光学精密工程;2017年02期

2 李梦庆;张雷;李宗轩;邢利娜;贾学志;;空间平面反射镜组件销钉预紧的非线性分析[J];光子学报;2016年02期

3 董斌超;张舸;;超轻量化SiC反射镜的制备及性能[J];光学精密工程;2015年08期

4 贾树强;黄玮;庞武斌;;胶层厚度对三点支撑反射镜面形的影响[J];光学精密工程;2015年07期

5 万里鹰;尧章福;;碳纤维表面连续电镀镍的研究[J];南昌航空大学学报(自然科学版);2015年02期

6 张丽敏;王富国;安其昌;杨飞;王志;;Bipod柔性结构在小型反射镜支撑中的应用[J];光学精密工程;2015年02期

7 刘书田;胡瑞;周平;董志刚;康仁科;;基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法[J];光学精密工程;2013年07期

8 安源;金光;;碳纤维复合材料在空间光学相机中的应用研究[J];材料导报;2012年11期

9 闫勇;金光;;RB-SiC反射镜的材料制备、表面改性及非球面加工[J];光学精密工程;2011年08期

10 关英俊;辛宏伟;;长条形空间反射镜轻量化及其支撑结构设计[J];激光与红外;2010年11期

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1 王书新;2m量级空间反射镜组件设计与优化[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2013年

2 王贵林;SiC光学材料超精密研抛关键技术研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年

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1 江浩;超轻量化SiC反射镜及支撑技术研究[D];中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;2016年

2 张艺;金属铝镜直接光学抛光关键技术研究[D];国防科学技术大学;2014年

3 王欣;空间相机800mm口径反射镜与支撑结构优化设计研究[D];中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）;2014年

4 叶伟楠;空间相机2m口径SiC主镜的轻量化及支撑结构设计与分析[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2011年

5 刘磊;空间光学遥感器轻型支撑结构研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2006年

6 李贤辉;光机集成有限元分析光学面形后处理研究与实现[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2004年

本文编号：2802660