空间薄膜反射镜在轨面形精密调节及动态响应控制研究

本项目针对空基大口径超薄反射镜发展过程中亟需解决的在轨镜面精度调节、面形保持和动态控制等关键问题，深入开展薄膜反射镜面形主动控制的基础理论和关键技术研究。项目从揭示空间环境下功能材料与反射镜结构的多场耦合机理入手，首先研究大尺度层合薄膜反射镜的系统建模与分析问题，运用解析和有限元法精确求解平面反射镜系统微分方程；其次，构建镜面形状影响函数矩阵，以残余面形误差最小为目标提出了薄膜反射镜面形控制的优化设计和分析方法；再次，研究光生电压引发逆压电效应的机理，提出一种适用于空间能量转化的新型光/压电混合驱动策略；然后，探讨薄膜反射镜在轨振动的参数辨识算法和自适应控制策略，利用离散的压电作动器实现对薄膜反射镜的主动振动抑制；最后，结合Zernike多项式面形检测分析方法，建立基于误差比例反馈的薄膜镜面形状控制闭环系统，实现对成形后薄膜反射镜面形状的实时、精确控制。

本项目以空间薄膜反射镜的在轨面形调节与镜面振动控制为目标，开展了边界约束条件下薄膜结构面形主动控制的基础理论和关键技术研究。首先，揭示了力-热-电多场对薄膜层合智能结构的耦合作用机理，并基于多功能混合智能板壳理论建立了一般情况下非线性层合压电薄壳（膜）系统方程，推导出单面PVDF层合平面薄膜反射镜结构的系统方程组。其次，建立了轴对称平面薄膜反射镜控制微分方程，并以典型温度场为热载荷，求解了薄膜反射镜的热变形；通过Zernike多项式展开温度场及其热变形仿真，项目组提出了基于层合式PVDF面内作动器和离散式SMA边界作动器的两种面形控制方法，并给出了针对典型温度场作用的作动器布局，仿真结果证明了方法的可行性。再次，面向空间光能利用，项目组提出了光控压电混合驱动方法；建立了在多能场耦合下光压电混合驱动的数学模型，并研究了光压电混合驱动的影响因素。第四，为了消除由轨道对接和分离冲击等引起的反射镜镜面振动，本项目提出了基于正位置反馈算法的传感/作动器对置的薄膜模态自适应控制方法。自适应闭环振动控制试验表明，该方法可以有效增大反射镜结构阻尼，减轻面内振动。最后，通过实验验证了边界作动对于改善薄膜反射镜热变形的有效性，提出了基于误差比例反馈的薄膜反射镜面形闭环控制策略，结合反射镜面形影响函数分析与辨识，试验验证了面形闭环控制方法能够迅速有效地控制薄膜受热导致的面形误差。