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空间薄膜反射镜成形控制及实验研究

作　者: 张鹏
导　师: 金光
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 空间薄膜反射镜聚酰亚胺薄膜静电拉伸成形控制面形检测
分类号: TH74
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来，国内外在发展一种以柔性薄膜为基底的反射镜——薄膜反射镜，该反射镜具有面密度低、易于折叠展开且成本低等优点，很好地满足了空间光学系统对反射镜的超轻量、超大口径的要求，因此在空间科学研究领域倍受关注。国外研究机构对薄膜反射镜开展了大量的研究工作并获得了突出的成果，而国内在空间薄膜反射镜技术尤其在大口径静电成形薄膜反射镜方面的研究才刚刚开始，还有许多关键技术亟待突破，如多电极静电拉伸薄膜反射镜的成形控制，各类面形影响因素的抑制及相关性能的检测。为此本文开展了多电极静电拉伸薄膜反射镜成形控制机理和检测实验的研究。本文首先对空间薄膜反射镜研究进展及关键技术的发展现状进行了总结，梳理了薄膜反射镜成形理论，并基于卡门的圆薄板大挠度理论分析了反射镜在均匀载荷作用下的面形。从提高面形精度的角度出发，推导了抛物面面形所需施加的非均匀载荷分布形式，通过光机集成分析验证了所推导的非均匀载荷可以有效地提高反射镜面形精度。其次在总结分析多种成形控制方法的基础上，给出了较为简洁的成形控制方法。基于求解复杂程度和工程实用性的考虑，认为所提出的基于反向求解的半解析成形控制方法更适合现阶段使用。实验结果表明：基于该方法薄膜反射镜的面形可以近似到达所需面形，所提出的方法改进了原有反射镜成形控制方法。在上述成形控制基础上，提出了反射镜面形调整的基本原理和实验思路来提高面形精度。然后基于卡门的圆薄板大挠度理论对控制量和环境因素与薄膜反射镜面形之间的关系进行了分析，得到了薄膜反射镜控制量影响规律和环境因素影响规律。另外利用平行平板电容等模型分析了薄膜反射镜拉伸成形的稳定性，求解了薄膜反射镜的稳定区域及控制策略。最后搭建了Ф300mm口径三环十电极静电式薄膜反射镜实验平台，对搭建的薄膜反射镜的性能及薄膜材质进行了初步检测。对薄膜反射镜曲面面形检测方法进行了重点研究，提出了适用于现阶段的基于条纹投影的面形测量方法。基于该方法对薄膜反射镜面形进行了测量，测量结果验证了所提出的薄膜反射镜成形控制方法的可行性。基于上述试验系统还进行了温度均匀变化下薄膜反射镜面形影响实验，验证了所总结的温度对薄膜反射镜面形影响规律，并提出了温度波动补偿方法。论文工作解决了多电极静电拉伸薄膜反射镜如何进行初步成形控制和提高面形精度等问题，为以后薄膜反射镜工程实用化奠定一定程度的技术基础。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-36
  1.1 空间薄膜反射镜的发展  13-23
    1.1.1 充气式薄膜反射镜的研究进展  13-16
    1.1.2 静电拉伸薄膜反射镜的研究进展  16-21
    1.1.3 其他类型薄膜反射镜的研究进展  21-23
  1.2 关键技术现状分析  23-34
    1.2.1 薄膜生产技术  23-24
    1.2.2 成形控制方法  24-25
    1.2.3 支撑结构设计  25-29
    1.2.4 面形的检测方法  29-34
  1.3 论文主要内容  34-36
第2章薄膜反射镜成形理论分析  36-54
  2.1 薄膜反射镜成形理论  36-43
    2.1.1 泊松的圆薄板小挠度理论  36-39
    2.1.2 卡门的圆薄板大挠度理论  39-43
  2.2 薄膜反射镜成形分析  43-52
    2.2.1 均匀载荷作用下薄膜反射镜成形  43-46
    2.2.2 非均匀载荷作用下薄膜反射镜成形  46-48
    2.2.3 薄膜反射镜有限元验证  48-52
  2.3 小结  52-54
第3章薄膜反射镜成形控制方法的研究  54-70
  3.1 引言  54-55
  3.2 薄膜反射镜成形控制方法  55-62
    3.2.1 基于反向求解的薄膜成形控制方法  55-57
    3.2.2 线性近似成形控制方法  57-60
    3.2.3 基于变厚度薄膜的成形控制方法  60-62
  3.3 薄膜反射镜面形调整  62-67
    3.3.1 薄膜反射镜闭环控制  62-64
    3.3.2 薄膜反射镜全息校正  64-67
  3.4 小结  67-70
第4章薄膜反射镜成形影响因素的分析  70-92
  4.1 薄膜反射镜面形控制量影响  70-73
    4.1.1 电压、预应变、极间距与中心矢高的关系  70-72
    4.1.2 电压、预应变、极间距与面形偏差的关系  72-73
  4.2 薄膜反射镜环境因素影响  73-83
    4.2.1 薄膜反射镜环境影响因素的概述  73-78
    4.2.2 温度对面形影响的分析  78-83
  4.3 薄膜反射镜稳定性分析  83-91
    4.3.1 薄膜反射镜稳定性分析模型  83-88
    4.3.2 薄膜反射镜稳定性控制  88-89
    4.3.3 薄膜反射镜稳定性实验  89-91
  4.4 小结  91-92
第5章薄膜反射镜检测及实验研究  92-126
  5.1 多电极静电拉伸薄膜反射镜实验平台  92-95
  5.2 薄膜反射镜的初步检测  95-103
    5.2.1 薄膜材质的检测  95-98
    5.2.2 薄膜反射镜平面检测  98-100
    5.2.3 薄膜反射镜聚光检测  100-103
  5.3 薄膜反射镜面形检测方法的研究  103-114
    5.3.1 面形检测方案分析  103-104
    5.3.2 基于哈特曼法面形检测  104-109
    5.3.3 基于条纹投影面形检测  109-114
  5.4 薄膜反射镜成形控制验证实验  114-121
    5.4.1 有限元优化的验证实验  114-117
    5.4.2 基于反向求解的成形控制方法的验证  117-121
  5.5 温度对薄膜反射镜面形的影响及补偿  121-123
    5.5.1 温度波动影响实验  121-123
    5.5.2 薄膜反射镜温度影响补偿方法  123
  5.6 小结  123-126
第6章结论及展望  126-130
  6.1 工作总结  126-127
  6.2 创新点  127
  6.3 工作展望  127-130
参考文献  130-137
在学期间学术成果情况  137-139
指导老师及作者简介  139-140
致谢  140

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