大口径反射镜制造过程中的重力/应力复合卸载技术研究

A method for offloading large aperture mirror's polising stress and gravity is proposed to increase the efficiency and precision of optical fabrication. All the research work will be divided into three parts. Firstly, the mirror polishing support system (PSS) for overcoming the polishing load will be investigated, aiming at restraining the magnitude of the print-through effect (PTE). A problem focusing on layout optimization with stiffness uncertainty should be fixed during the design of PSS. Then based on the structural characteristic of PSS, processing algorithm improvement interacting with the PSS will be quested for smaller PTE. The interacting mechanism should be defined before algorithm modification. Finally the two aforementioned method will act on a compound support system (CSS), including the PSS and testing support system (TSS). Besides offloading the polishing force, the CSS also could be used to offload the mirror's gravity force to see how it looks when free in space with no gravity. Fast switch between PSS and TSS make it possible to polish and test a mirror on the same machine, avoiding locating and testing errors caused by repeating installation and preparation. It's believed that the CSS will sharply speed up the processing of mirrors and bring it with higher precision. Space-borne astronomical and remote sensing telescopes will benefit a lot from the application of CSS technology.

为提高光学制造的效率和精度，研究大口径反射镜加工检测过程中重力与抛光应力的复合卸载方法。主要开展三方面的研究工作。首先，针对加工支撑系统建立其数学模型，采用分级迭代优化方法，解决含设计输入不确定性的结构布局优化问题，达到对压印效应的有效抑制。其次，定量分析加工支撑系统的变形特性，并实时监测镜面材料去除量，探索工具-工件-支撑的耦合作用机理，从而制定加工算法的响应策略，进一步提高光学加工精度。最后研究前两部分研究成果的物理实现，研制通用的复合支撑系统，完成其精度验证和工程应用。该系统由加工支撑系统和原位检测系统构成，既能抑制压印效应，又能用于呈现无重力面形，可解决空间反射镜的天地一致性问题。通过两种支撑系统的快速切换，光学加工与测量过程可以在同一设备上完成，避免频繁搬运和安装工件，既能提高空间反射镜的成形精度，又能提升其制造效率，该技术成功应用后将推动空间望远镜技术的快速发展。

大口径的空间望远镜在轨时由于失重环境，由于重力释放会导致镜面产生非制造面形误差，影响成像质量。因此，为满足空间望远镜天地一致性的测量要求，本项目以同时解决反射镜制造过程中的自身重力及加工应力引起的变形问题为研究目标，紧紧围绕多因素耦合作用下支撑布局优化原理以及工具-工件-支撑系统对反射镜天地一致性的影响规律等科学问题开展细致的研究工作，最终形成一套成熟的适用于各类大口径反射镜的通用卸载技术，使其既能用于反射镜光学加工，又能用于其原位检测，并实现加工和检测状态的快速原位切换。利用Isight软件搭建了分级布局优化模型，寻求支撑位置和支撑刚度的最优解，可使反射镜面形快速达至精度要求，并通过分析磨头对反射镜加工过程带来的复印效应，提出了通过减小磨头的大小，并将多个小磨头组合在同一个大磨盘下公自转的方式以抑制复印效应的产生。对原位加工检测复合支撑系统进行了设计和研制，分别进行了液压支撑单元的刚度测试及系统集成测试，找到了提高支撑单元刚度及降低多个支撑单元刚度分散性的方法，验证了研制的原位复合支撑系统可实现对反射镜重力的卸载以及加工和检测状态快速切换的功能。本项目的研制成果将为大口径空间光学元件的加工效率的提升，缩短核心元件的研制周期具有一定的指导意义，该成果的运用，将促进大口径天文观测和航天遥感技术的快速发展。