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1、 1 1第第 1 1 章章 引引 言言1.11.1 课题研究背景、目的及意义课题研究背景、目的及意义随着空间光学、空间通信和对地观测技术的发展，作为空间望远镜、雷达、天线、能量聚集器、放大成像系统的主要光学元件，反射镜的高分辨率、大视场的使用要求越来越高。长期以来，传统的反射镜使用玻璃、金属、晶体等形态稳定的刚性材料做基坯，其主要缺点是面密度大、加工难度大、制造周期长、成本高，难以适用于超大口径(如几十到几百米)光学系统对反射镜的要求。虽然先进光学制造技术可以将这些传统反射镜基底材料被加工得很薄以减轻重量，但是随之而来却造成了加工时间、加工成本的成倍增加和使用性能的降低。合成孔径技术的出现弥补
2、了传统材料大口径反射镜加工制造的困难，并便于折叠和有限运载（如预计于 2013 年升空的“韦伯”望远镜） 。但是合成孔径反射镜会因牺牲系统的光能利用率和图像信噪比而影响观察图像质量，而空间薄膜反射镜技术以其特点和优越性使人们看到了探索空间的新希望。柔性薄膜通过夹具的夹持和静电作用，使其产生弧度聚光，从而实现薄膜反射。由于薄膜反射镜比较轻，可以应用于航空的研究。多电极柔性薄膜反射镜具有十分明显的优点：面密度小，柔性可展/可折叠，材料成本低、成形自由度大，可变焦距等。通过对薄膜反射机理的研究，了解了多电极薄膜反射镜对宇航的影响，为空间薄膜反射镜关键技术的深入研究和成熟应用奠基基础。图 1.1 空间
3、薄膜反射镜技术的发展和分类随着材料科学近几十年的快速发展，高性能聚酰亚胺薄膜、压电薄膜等新型薄膜材料的出现使得柔性膜基反射镜在空间使用成为可能。与传统材料的大口径反射镜相比，柔性薄膜反射镜具有十分明显的优点：面密度小，柔性可展/可折叠、材料成本低、成形自由度大、可变焦距等，可以解决火箭运载对有限体积、质量的限制与不断增加的对大口径（高分辨率） 、轻质反射镜使用要求之间的矛盾，因此对它的应用研究极具诱人前景。虽然人类对于薄膜技术的研究2 2已经有几个世纪的历史，但如何将柔性薄膜应用于反射镜并使之高精度成形还是具有挑战性的课题，研究程度一直很热。目前已经出现的柔性薄膜成形方法有：充气式/真空式、静
4、电式/电磁式、吊装式、液体式、面形扫描驱动式、预成形式以及混合成形式等，其中充气式和静电式研究较多，如图 1.1。图 1.2 利用薄膜反射镜对北京进行空间照明的“不夜城”设想图无论哪种方法，如果能够在原理上保证薄膜面形精确成形，再配以面形检测和反馈控制技术，应用前景就更加广阔。静电薄膜反射镜是通过分布电极作用形成空间分布电势而使薄膜拉伸成形的，相比于受均压载荷成形的充气式薄膜反射镜来说对面形的可控自由度更大。以美国为首的国外先进宇航国家纷纷对大口径静电薄膜反射镜技术展开了研究，相关成果报道屡见不鲜。相比之下，国内的研究机构很少（只有长春光机所和苏州大学） ，研究起步较晚，尚停留在理论试验方面，
5、相关的研究成果报道也很少。但是国内的宇航学者已经把空间薄膜反射镜技术纳入发展计划之中，图 1.2 为利用薄膜反射镜的聚光效应对北京进行空间照明的设想图。1.2 空间薄膜反射镜发展综述空间薄膜反射镜发展综述二十世纪六十年代美国宇航局提出了大口径空间望远镜计划，意在设计、制造和主动连续控制大口径反射主镜，充分利用太空资源。随后美国相关研究机构以及其它先进国家纷纷开展研究，掀起了薄膜反射镜技术研究的热潮。下面按照成形方式的不同，对有代表性的研究实例进行介绍和分析。3 3一、充气/真空式薄膜反射镜图 1.3 Echo I 充气模型 图 1.4 IAE 充气天线在轨实验充气/真空式薄膜反射镜是利用充气气
6、压或真空负气压使薄膜成形的一种反射镜。由于利用充气式成形薄膜面形精度较低，因此常用作雷达、天线。1960年 8 月美国 NASA 使用镀铝的聚酯薄膜制作了一个 31m 直径 62Kg 的充气圆球（EchoI） ，能够在地球各个区域进行反射无线电通讯,如图 1.3。受制于发射空间和质量的限制，天线口径不能太大，此后可折叠/展开技术快速发展，充气装置可以发射到太空进行应用。1964 年发射的口径为 41m 的 Echo型天线采用充气硬化材料制作，能够克服 Echo I 的长时间使用的变形问题而作为通讯卫星和对地观测之用。Echo 型天线寿命极短，上世纪 60 年代底即被主动控制技术取代。1996
7、年美国 NASA 充气天线（IAE）在轨实验成功后（图1.4） ，美国国防部看到了这种技术的潜在价值并开始了大口径雷达天线计划。后来许多国家都纷纷开展了充气式薄膜反射镜技术研究（图 1.5-1.6） ，但由于成形精度有限，大多用于太空天线、能量汇聚和放大显示。图 1.5 1998 年加拿大利用激光系统检 图 1.6 苏格兰斯特拉思克莱德大研制 测压电充气式薄膜拉伸变形 的真空式 1.2m 薄膜反射镜二、静电式/电磁式利用静电拉伸控制薄膜成形是获得大口径超轻薄膜反射镜的革命性方法，它在控制面形和控制精度方面比充气式反射镜有较大的优势。和充气式薄膜反4 4射镜作用均布载荷不同，它能通过分布式多电极
8、的作用形成非均布力使面形精度和薄膜像差补偿上得到很好地提高。下面将对静电薄膜反射镜几种有代表性的研究成果进行介绍。图 1.7 美国 NASA 4.88m 静电薄膜反射镜图 1.8 亚利桑那大学 160mm 静电薄膜反射镜1978 年 6 月美国麻省理工学院为了研制大口径、轻质、高精度空间反射天线，开始了静电薄膜反射镜计划。1979 年，美国 NASA 进行了一个 4.88m 的多环电极的聚酰亚胺薄膜反射镜实验（图 1.7）但受制于大面积薄膜制备技5 5术和控制技术的限制，以后的研究逐步走向小口径化。2000 年，美国亚利桑那大学通过压电陶瓷的微控制有效改善成像质量，获得了口径为 6 英寸、曲率
9、为 32m、平面反射镜中心四英寸范围内的面误差可达到 /20 的静电薄膜反射镜，曲面反射镜同样也取得了很好的实验结果，如图 1.8。此外，美国科学研究会（SRS Technologies）进行了大型薄膜反射镜及可展结构的研究，取得了应用性进展（图 1.9-1.10） 。图 1.9 美国 SRS Technologies 公司静电薄膜反射镜原理图和实物图图 1.10 底网支撑式曲面电极拼接1.3 静电薄膜反射镜研究现状静电薄膜反射镜研究现状静电薄膜反射镜通过在高压电极和镀金属（铝、银）树脂薄膜之间形成电势差，在电场力的作用下使薄膜发生变形从而达到静电力和结构力的平衡以稳定成形。理想抛物面具有良好
10、的光学望远镜所需精度，而平面薄膜在受到均布载荷作用下变形后主要产生球差（和理想抛物面误差呈“W”曲线样式） ，因而充气或真空吸气式所作用的均布载荷难以满足理想的光学效果。分布式静电力可以产生薄膜抛物面成形所需的连续载荷分布，具有空间分布可控性、局部自由成形、离轴聚焦、焦距可变的优点，因而研究广泛。但由于成形机理和影响因素十分复杂，空间薄膜反射镜的多电极控制方法一直缺乏全面而深入地认识，而且要获得一定成形精度的面形还受制于很多相关技术发展的制约，如：薄膜材料的制备、薄膜预应力调节技术、成形控制机理和方法、薄膜反射镜面形评价技术。由 1.2 节可以得知，国外在静电薄膜反射镜的技术研究方面已经取得了
11、很多实质性进展，下面对目前静电薄膜反射镜6 6相关技术的国内发展现状进行对比分析。根据在大口径静电薄膜反射镜公开研究成果方面的不完全统计，中科院长春光机所和苏州大学是中国唯一两家相关研究单位，大体成果都出现在 2006 年以后。两家共发表学术论文 17 篇，相关研究内容主要集中在薄膜的静电成形机理和初步验证阶段，其中关于综述性文章 1 篇、成形机理和实验分析 10 篇、面形仿真及光学评价 1 篇、边界条件及成形模拟 4 篇、混合成形研究 1 篇。关于成形机理和试验分析的 10 篇文献中，关于均布载荷下面形求解分析的占有 8 篇；而且所有实验分析都是基于均布载荷作用下的初步拉伸试验和检测。论文9
12、中和文献10、11中，基于聚酯薄膜的预成形技术初步分析了静电和真空混合成形方法的原理。由 1.2.1 小节中关于预成形技术的国内外发展现状介绍可知，在薄膜树脂合成时采用旋转铸造成形技术方能实现薄膜的大变形预成形。由此可以看出国内关于大口径静电薄膜反射镜的研究阶段和趋势，结合一定的结构设计进行薄膜反射镜的多电极控制方法研究是关键。当然，这里有必要和 MEMS 里的静电驱动式可变形镜技术做一下对比。目前国内外关于静电驱动式可变形镜的研究报道较多，但它和大口径的静电薄膜反射镜成形控制相比有很大差别。静电驱动式可变形镜的特点如下：薄膜材料一般刚度较大，有的不考虑预应力或通过变形载荷提供结构刚度；一般都
13、是小口径(一般小于 100mm)和小变形(和反射镜膜厚相当)问题；控制电极数目较多；成形机理、影响因素简单；讲求高频动态波前补偿；通过线性化就可快速准确地控制多电极对面形的驱动。而大口径（最大数十米）薄膜反射镜成形机理、影响因素复杂，非线性大变形控制精确确控制较困难。而且随着口径的增大，静电薄膜反射镜而出现很多工程设计和制造困难，如结构设计、薄膜制造和面形检测等。但是对可变形镜的一些分析方法也是可以参考的，比如不稳定性分析、耦合特性分析和变形求解等。综合国内外的研究现状，可以得知由一定边界条件和加载性质求解薄膜变形问题已经研究广泛，理论设计阶段的面形光学质量评价也已成型。薄膜反射镜的多电极成形
14、控制问题涉及到根据一定面形和边界条件反演求解薄膜受载条件的设计问题，这在国内外研究还很少。因此，有必要展开这方面的攻关，实现空间薄膜反射镜的多电极控制研究。7 7第第 2 章章 静电拉伸薄膜反射镜静电成形机理静电拉伸薄膜反射镜静电成形机理2.1 薄膜反射镜静电拉伸成形原理薄膜反射镜静电拉伸成形原理建立静电拉伸薄膜反射镜静电成形理论模型的目的，是为了获知薄膜面形对于外加载荷的响应，研究外加载荷的改变对薄膜面形的影响，为解决实际问题提供理论依据。静电拉伸薄膜反射镜静电成形主要以静电学和弹性力学等方面的理论为基础，需要从两方面对静电拉伸薄膜反射镜静电成形进行分析。静电拉伸薄膜反射镜静电成形原理如图
15、2.1 所示，通过施加适当的预应力，将镀有金属反射层的薄膜 1 均匀伸展成平面，采用周边固定的方法将薄膜边缘固定在装置 2 上。在薄膜和由一系列电极 3 组成的电极板之间加上静电高压，产生静电力，使薄膜发生弯曲而形成凹面反射镜。静电拉伸薄膜反射镜静电成形可以被看作是周边固定的平面薄膜在外加静电载荷作用下发生形变，通过分析周边固定的薄膜在外加载荷作用下的形变，以及静电压与载荷大小的关系，可以求出静电拉伸薄膜反射镜在静电载荷下的面形。1. 薄膜 2. 固定装置 3.电极 4.绝缘基座图 2.1 薄膜反射镜静电成形原理图由弹性力学理论可知，在周边固定的条件下，若对薄膜施加均匀的压强载荷，则薄膜的挠度
16、为z= （2-1）2 Tp式中：z 为挠度；p 为压强载荷；T 为薄膜的张力。根据静电学理论，静电高压在薄膜表面所产生的压强载荷近似为p= （2-2）220dv式中：v 为电极板和薄膜之间的电压；d 为电极板和薄膜之间的距离； 为真空的介电常数。由上面两公式可得到薄膜反射镜面形满足下式所示的泊松方程（2-3）2 202VTdz8 8根据圆形边界条件求解该方程，可以进一步得到在静电力作用下薄膜反射镜的顶点曲率半径：R= （2-4）2 022 VTd 薄膜反射镜顶点曲率半径 R 与所施加的静电电压 V、薄膜张力 T 以及薄膜与电极间距离 d 有关。电压越高，则薄膜的曲率半径就越小。通过调节电压，可以获得具有不
