静电拉伸薄膜反射镜多电极分布设计与实验研究

摘要

随着空间光学技术的发展,空间望远镜主镜正朝着大口径和超轻量化方向发展。薄膜反射镜与采用传统技术研制的反射镜相比,具有重量轻、伸展性良好、成本低的特点,已经成为目前研究的热点之一。
　　研制薄膜反射镜需要解决的关键技术之一是薄膜反射镜的成形控制。本文在现有的研究基础之上,开展薄膜反射镜静电成形电极分布理论设计和实验研究。
　　首先介绍了薄膜反射镜在空间光学系统中的应用背景,概述国内外薄膜反射镜成形及控制方法的研究现状。
　　然后以材料力学、弹性力学和静电场理论为基础,阐述以薄膜材料为基坯的反射镜在外加压强载荷作用下的面形成形理论以及薄膜大挠度形变方程的推导,得到沿薄膜反射镜径向连续分布的压强载荷的解析表达式以及静电成形方法中电压分布的表达式。对在多电极分布方式下口径100mm-1000mm、不同F数的薄膜反射镜的面形进行仿真分析,将连续的压强载荷进行离散化并导入ANSYS有限元软件,得到薄膜反射镜的三维面形数据,运用Matlab软件编程以及Zernike多项式拟合出薄膜反射镜三维面形,并与标准抛物面比较求出面形误差的PV值和RMS值。分析了径向宽度比例、电极环数目、口径和F数对面形精度的影响。分析表明,采用中心外电极径向宽度均等而中心电极径向宽度为其1.6倍的分布方式能够显著提高薄膜反射镜的面形精度。
　　在薄膜反射镜成形理论的基础上,设计了口径为200mm、F数为10的薄膜反射镜静电成形实验。采用自准直方法获得平行光束,用于测量在设计的静电高压作用下薄膜反射镜的焦距,并与理论计算结果进行了比较和分析,初步验证了设计方案和实验系统的可行性,为进一步开展大口径薄膜反射镜成形的研究提供了理论和实验基础。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的内容和目的

第二章 薄膜反射镜静电成形理论

2.1 薄膜大挠度形变方程及解法

2.2 静电拉伸薄膜反射镜电极电压值确定

第三章 电极分布设计及有限元仿真

3.1 径向连续压强计算

3.2 径向离散压强计算

3.3 电极分布分析

3.4 薄膜反射镜的有限元仿真

第四章 薄膜反射镜的面形拟合

4.1 Zernike多项式[42]

4.2 Householder变换法[44]

4.3 拟合实例

第五章 薄膜反射镜成形实验系统与测量结果分析

5.1 PET薄膜

5.2 薄膜支撑结构[33]

5.3 电极板

5.4 电压控制装置

5.5 实验测量装置

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文及科研成果

致谢