CB013200-G空間光學(xué)先進(jìn)制造基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究

1、項(xiàng)目名稱：空間光學(xué)先進(jìn)制造基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究首席科學(xué)家：李圣怡 中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)起止年限：依托部門：國防科技大學(xué)一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究內(nèi)容以新一代大口徑、輕量化、復(fù)雜面形、納米精度為特點(diǎn)的空間光學(xué)元件制造技術(shù)為研究對象，圍繞大鏡輕量化、高精度面形加工、復(fù)雜面形檢測與評價等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，揭示空間光學(xué)制造全過程的科學(xué)規(guī)律，建立和發(fā)展以超精、高效、可控自動化為特色的光學(xué)制造新方法和核心技術(shù)體系。開展以下關(guān)鍵科學(xué)問題的研究：科學(xué)問題一：功能結(jié)構(gòu)材料空間光學(xué)鏡體輕量化定量反演設(shè)計與復(fù)合能場作用的結(jié)構(gòu)創(chuàng)成機(jī)制大鏡輕量化帶來了空間光學(xué)元件由光學(xué)性能約束向光學(xué)力學(xué)性能復(fù)合約束的革命性變化。大鏡鏡

2、坯制造經(jīng)歷鏡體設(shè)計、減重加工和表面成形等關(guān)鍵工序，將設(shè)計、加工作為一個整體，研究可制造性條件下的反演設(shè)計和鏡體的高穩(wěn)定制造技術(shù)。針對新材料和極度輕量化要求，分析鏡體剛度和局部剛度的受控條件，研究基于力學(xué)性能要求的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法，分析制造過程應(yīng)力應(yīng)變對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出可制造性條件約束下的創(chuàng)新構(gòu)型反演設(shè)計方法；研究復(fù)合能場作用下功能結(jié)構(gòu)一體化材料的去除機(jī)理，探索輕量化結(jié)構(gòu)生成的應(yīng)力應(yīng)變調(diào)控機(jī)制及其加工方法；基于壓痕斷裂力學(xué)理論，研究超硬SiC材料微磨機(jī)理，分析大鏡微磨條件下砂輪磨損的鈍化規(guī)律，提出砂輪在線修銳方法和恒壓控時磨削工藝，形成光學(xué)表面生成的優(yōu)化工藝方法；實(shí)現(xiàn)輕量化和結(jié)構(gòu)剛度、

3、整體質(zhì)量和局部剛度、結(jié)構(gòu)形狀和可制造性、能場復(fù)合和損傷調(diào)控等條件下的有效協(xié)同制造。通過多學(xué)科交叉研究，系統(tǒng)形成輕量化大鏡的空間光學(xué)可制造性理論?？茖W(xué)問題二：衍射極限條件下納米精度復(fù)雜光學(xué)面形生成機(jī)理及全頻段誤差表征與控制108量級的超大尺度精度比突破了傳統(tǒng)制造工藝精度等級的極限，為了提高成像質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)光學(xué)性能約束下的制造，傳統(tǒng)機(jī)械制造面形、波紋度、粗糙度的公差理論已不能滿足空間光學(xué)制造全頻段誤差的表征與控制要求。因此需要將復(fù)雜面形的高精度展成、納米精度表面生成和全頻段誤差的表征與控制作為一個整體，系統(tǒng)研究變曲率約束下復(fù)雜光學(xué)表面展成的幾何與物理表征，揭示大型超精密光學(xué)磨床少軸高剛性流形結(jié)構(gòu)的反

4、演規(guī)律；基于Harvey-Shack散射理論和Goodman統(tǒng)計光學(xué)理論，提出中高頻誤差的小波分析方法，解析全頻段誤差和光學(xué)性能之間的映射關(guān)系，提出科學(xué)表征和一致收斂的控制方法；研究磁流變、離子束等低應(yīng)力拋光的材料去除機(jī)理，建立基于Sigmund濺射理論、Bingham非牛頓流體理論的加工過程力學(xué)分析方法，研究輕量化鏡體在局部剛度差異約束下的材料去除可控性規(guī)律；分析不同形狀去除函數(shù)對各頻段誤差的修形控制能力，建立大相對口徑和離軸非球面的非線性誤差投影畸變模型，提出平動盤、磁流變、離子束拋光等多工序優(yōu)化組合的拋光方法，實(shí)現(xiàn)空間光學(xué)元件宏微跨尺度誤差的一致性收斂；系統(tǒng)建立超大尺度精度比空間大鏡的納

5、米精度面形生成理論?？茖W(xué)問題三：空間光學(xué)元件多場耦合作用下誤差分離測量原理為了保持地面測量精度和空天使用精度的高度一致，滿足天地一致性條件，1m以上口徑的大鏡需將非制造變形控制在23nm范圍內(nèi)，測量和使用條件分離的傳統(tǒng)檢測方法已不能滿足空間大鏡天地一致性的測量要求。需要研究天地環(huán)境差異帶來的重力、溫度、大氣等環(huán)境變化對測量結(jié)果的耦合作用規(guī)律，基于Couder多點(diǎn)支撐理論和多場耦合下復(fù)雜邊界條件的有限元仿真模型，探討輕量化大鏡的非制造變形受控條件，研究重力和應(yīng)力有效卸載的裝夾設(shè)計方法；基于復(fù)雜面形C-空間理論和光學(xué)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)像差理論，分析復(fù)雜面形姿態(tài)變化對測量精度的影響規(guī)律，提出計算機(jī)輔助的優(yōu)化

6、調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)對離軸、離焦和光軸位置的精確調(diào)控；分析測量系統(tǒng)的誤差影響因素，提出環(huán)境、光路、補(bǔ)償器精度的受控條件，建立多方法和多姿態(tài)互檢的統(tǒng)計檢驗(yàn)與推斷模型，對補(bǔ)償光路進(jìn)行有效標(biāo)校，實(shí)現(xiàn)空間輕量化大鏡非制造變形受控的誤差分離測量。主要研究內(nèi)容包括：圍繞科學(xué)問題一：功能結(jié)構(gòu)材料空間光學(xué)鏡體輕量化定量反演設(shè)計與復(fù)合能場作用的結(jié)構(gòu)創(chuàng)成機(jī)制，開展以下研究：1）為了保證反射鏡具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，同時最大程度地減小鏡體重量，必須進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)一體化材料空間光學(xué)鏡體的輕量化設(shè)計和加工研究。分析鏡面和安裝面變形的影響因素及其規(guī)律，建立不同支撐方式、重力與熱環(huán)境等多工況條件下鏡體變形的數(shù)學(xué)模型，基于多參數(shù)優(yōu)化

7、和拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，建立可制造性條件約束的鏡體輕量化結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型反演設(shè)計的新方法；開發(fā)針對燒結(jié)成型SiC鏡體進(jìn)行超聲等復(fù)合能量磨削的輕量化加工新工藝，分析SiC材料磨削過程中工具與工件之間的作用規(guī)律，揭示材料微觀變形、去除機(jī)理以及亞表層損傷的微觀演化機(jī)制，研究SiC材料高效低損傷加工工藝；以優(yōu)化設(shè)計的SiC鏡體輕量化結(jié)構(gòu)參數(shù)為依據(jù)，進(jìn)行數(shù)控磨削加工試驗(yàn)，分析復(fù)合能場磨削復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)時加工精度、加工效率和結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，確定不同形狀、尺寸鏡體輕量化結(jié)構(gòu)的最優(yōu)加工路徑和工藝參數(shù)；分析不同力、熱環(huán)境下輕量化加工后的SiC鏡面和安裝面形狀精度、尺寸精度隨時間的變化規(guī)律，揭示SiC鏡體輕量化加工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

8、性的影響規(guī)律，提出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的評價與控制方法。2）為了縮短大鏡加工周期、提高加工質(zhì)量，必須提高復(fù)雜面形的磨削精度，控制加工損傷。針對大口徑空間光學(xué)反射鏡對加工精度和表面完整性的極高要求以及SiC材料高硬度、高脆性、磨削加工易產(chǎn)生亞表層損傷、砂輪磨損嚴(yán)重影響加工精度等特點(diǎn)，研究SiC材料在力、熱、電等復(fù)合能場作用下超精密微磨的材料去除機(jī)理、表面微觀紋理與亞表層損傷的形成機(jī)制，建立超精密磨削亞表層損傷的檢測和評價方法；基于壓痕斷裂力學(xué)理論，揭示大型SiC鏡面超精密磨削時砂輪的磨損鈍化機(jī)制及其對加工精度和表面質(zhì)量的影響規(guī)律，研究金剛石微粉砂輪微修整機(jī)制及在線實(shí)現(xiàn)方法，生成磨削損傷可控的加工條件；提出

9、大口徑SiC鏡面在不同磨削階段的協(xié)同優(yōu)化工藝策略及損傷程度、加工精度的預(yù)測和控制方法，建立恒壓控時的砂輪磨損補(bǔ)償新方法，進(jìn)行優(yōu)化條件下的超精密微磨實(shí)驗(yàn)，形成大口徑、高精度、低損傷SiC鏡面超精密磨削的新工藝?yán)碚摵图夹g(shù)。圍繞科學(xué)問題二：衍射極限條件下納米精度復(fù)雜光學(xué)面形生成機(jī)理及全頻段誤差表征與控制，開展以下研究：1）復(fù)雜光學(xué)面形加工與材料去除工藝、機(jī)床運(yùn)動學(xué)動力學(xué)控制直接相關(guān)，光學(xué)加工過程由經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)往確定可控的方向轉(zhuǎn)變，迫切需要研究復(fù)雜面形加工工藝系統(tǒng)特性的可控條件，實(shí)現(xiàn)加工過程控位、控力、控時，確保工藝條件的穩(wěn)定可控。針對光學(xué)材料難去除、變曲率鏡面形狀復(fù)雜、磨削工藝影響因素眾多、多軸聯(lián)動系統(tǒng)

10、剛度變化和幾何誤差耦合、高面形精度和低損傷混合控制要求極高、現(xiàn)有研磨工藝誤差收斂速度慢等特點(diǎn)，研究基于誘導(dǎo)曲面的復(fù)雜面形展成數(shù)學(xué)原理與非線性熱力學(xué)的物理表征；建立慣量、剛度時變、參數(shù)不確定條件下的多軸超精密磨床動力學(xué)模型，揭示剛度約束下限制磨削力的軌跡規(guī)劃方法和低損傷表面生成原理；探索基于李群李代數(shù)和微分流形的力位混合標(biāo)架，建立幾何量、物理量雙重反饋的力位混合數(shù)控系統(tǒng)；研究表面質(zhì)量約束下壓力、速度、駐留時間自適應(yīng)高效去除的研磨控制規(guī)律，探索高效研磨主動柔順控制理論與實(shí)現(xiàn)方法。2）拋光修形是空間大鏡納米精度生成的關(guān)鍵工藝，依靠剛性拋光盤施加正壓力的傳統(tǒng)拋光方式，材料去除的可控性差，難以滿足輕量化

11、大鏡納米精度高效加工的要求。針對空間大口徑輕薄異形鏡加工中存在的“格子效應(yīng)”、“邊緣效應(yīng)”等非連續(xù)局部效應(yīng)和非線性曲率畸變誤差等制造技術(shù)挑戰(zhàn)，采用磁流變和離子束拋光新方法，基于Sigmund濺射理論、Bingham非牛頓流體理論等加工過程力學(xué)分析方法，研究以剪切力去除或能量濺射去除等非傳統(tǒng)拋光的材料去除機(jī)理，建立可控參數(shù)下的去除函數(shù)模型，掌握納米量級材料穩(wěn)定去除的可控性規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)空間光學(xué)鏡面高效納米精度成形；研究離軸非球面等復(fù)雜光學(xué)曲面加工中非線性畸變誤差的產(chǎn)生原理，提出去除函數(shù)畸變補(bǔ)償和投影畸變補(bǔ)償方法，建立基于主動非線性補(bǔ)償光學(xué)鏡面確定性拋光誤差的收斂理論；研究輕量化結(jié)構(gòu)光學(xué)反射鏡加工中

12、非連續(xù)局部效應(yīng)誤差的產(chǎn)生機(jī)理，提出基于低應(yīng)力拋光工藝的主動抑制方法；研究適應(yīng)大口徑光學(xué)元件加工的磁流變、離子束拋光工具和工藝系統(tǒng)設(shè)計理論與方法，建立低應(yīng)力拋光工藝平臺；研究工藝參數(shù)穩(wěn)定控制方法和優(yōu)化理論，基于輕量化大鏡磁流變和離子束低應(yīng)力拋光的工藝實(shí)驗(yàn)，形成納米精度低應(yīng)力高收斂率的成形拋光工藝。3）不同頻段誤差形成的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)不同，會對成像清晰度、銳度和照度等光學(xué)性能帶來不同影響，因此對全頻段誤差的幅值、頻率、分布等提出明確控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)其一致收斂是高分辨率成像和高聚能光學(xué)元件的必然要求。基于Harvey-Shack散射理論和Goodman統(tǒng)計光學(xué)理論，提出中高頻誤差的小波分析方法，通過光學(xué)系

13、統(tǒng)成像仿真研究，揭示光學(xué)表面低頻、中頻、高頻誤差對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響機(jī)理，確定各頻段允差；通過研究光學(xué)加工各工藝過程中的材料去除機(jī)理，揭示各頻段誤差的形成規(guī)律，建立預(yù)測與評價方法；開展形狀可控的大口徑應(yīng)力盤拋光工藝研究，開發(fā)基于“平轉(zhuǎn)動”應(yīng)力拋光盤光順技術(shù)；建立新的組合拋光工藝路線，按照各種工藝方法的去除機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型，獲得全頻段誤差一致收斂、高效穩(wěn)定的優(yōu)化工藝組合并進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)。圍繞科學(xué)問題三：空間光學(xué)元件多場耦合作用下誤差分離測量原理，開展以下研究：空間光學(xué)大鏡對重力、應(yīng)力和環(huán)境作用十分敏感，容易形成大鏡面形的非制造變形，為保持天地一致性，實(shí)現(xiàn)對加工質(zhì)量的有效評價，必須開展復(fù)雜面形光

14、學(xué)元件多場耦合條件下的誤差分離測量原理與方法研究。分析多場耦合作用對面形誤差的影響規(guī)律，提出測量狀態(tài)非制造變形的受控條件，建立重力和應(yīng)力有效卸載的裝夾設(shè)計方法；研究復(fù)雜面形姿態(tài)變化對測量精度的影響規(guī)律，提出計算機(jī)輔助的優(yōu)化調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)對離軸、離焦和光軸位置的精確調(diào)控；分析測量系統(tǒng)誤差的影響因素，提出環(huán)境、光路、補(bǔ)償器精度的受控條件，建立多方法和多姿態(tài)的互檢方法，對補(bǔ)償光路進(jìn)行有效標(biāo)校，實(shí)現(xiàn)空間輕量化大鏡非制造變形受控的誤差分離測量，通過實(shí)驗(yàn)研究，形成系統(tǒng)的誤差分離測量方法。二、預(yù)期目標(biāo)3.1 本項(xiàng)目的總體目標(biāo)本項(xiàng)目將針對國家對SiC輕量化空間大型光學(xué)元件制造技術(shù)的重大需求，特別是鏡面直徑大于

15、等于2米的超大口徑反射鏡為研究主要對象，深入研究大口徑反射鏡制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題。圍繞功能結(jié)構(gòu)材料空間光學(xué)鏡體輕量化定量反演設(shè)計與復(fù)合能場作用的結(jié)構(gòu)創(chuàng)成機(jī)制、衍射極限條件下納米精度復(fù)雜光學(xué)面形生成機(jī)理及全頻段誤差表征與控制、空間光學(xué)元件多場耦合作用下誤差分離測量原理等關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行研究，以空間大鏡制造全工藝流程的鏡體輕量化制造、鏡面納米精度拋光和滿足天地一致性的大鏡測量等關(guān)鍵點(diǎn)為突破口，創(chuàng)新可控光學(xué)制造理論，采用復(fù)合能場超精密磨削、磁流變和離子束拋光、平動應(yīng)力盤光順等新工藝，提升以輕量化、大口徑、復(fù)雜面形、納米精度為特征的空間光學(xué)元件制造水平；重點(diǎn)揭示極限工況條件下光學(xué)加工和檢測過程的可控

16、性規(guī)律，建立面向新一代光學(xué)制造的理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)從“單一光學(xué)性能約束經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)的光學(xué)制造”向“光學(xué)力學(xué)性能復(fù)合約束確定可控的現(xiàn)代空間光學(xué)制造”躍升，推動科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，培養(yǎng)一批從事該領(lǐng)域前沿科學(xué)研究、具有創(chuàng)新思想的高科技人才。3.2 五年預(yù)期目標(biāo)在理論研究方面解決2m超大口徑輕量化SiC空間光學(xué)元件高精度制造中的科學(xué)問題，建立可控光學(xué)制造的新原理和新方法。1）揭示復(fù)合能場作用下SiC材料鏡體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)成機(jī)理，闡明鏡體可控?fù)p傷高效加工的可制造性條件，研究設(shè)計、制造過程中動態(tài)交互的輕量化創(chuàng)新構(gòu)型反演設(shè)計方法，實(shí)現(xiàn)集設(shè)計、制造于一體的高穩(wěn)定性輕量化空間光學(xué)鏡體的高效可控制造。2）揭示光學(xué)表

17、面全頻段誤差對光學(xué)性能影響的定量映射關(guān)系，提出光學(xué)系統(tǒng)在衍射極限條件下完善成像的制造約束條件，研究低應(yīng)力拋光過程的材料去除機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對制造誤差幅值、頻率及其分布形態(tài)的有效控制。3）分析檢測環(huán)節(jié)的誤差影響因素，揭示多場作用下輕量化大鏡的耦合變形規(guī)律，提出重力、應(yīng)力和環(huán)境溫度等解耦條件，研究多姿態(tài)、多方法互檢的統(tǒng)計檢驗(yàn)與推斷模型，對補(bǔ)償光路進(jìn)行有效標(biāo)校，實(shí)現(xiàn)空間輕量化大鏡非制造變形受控的誤差分離測量。在技術(shù)應(yīng)用方面通過本項(xiàng)目研究，解決空間光學(xué)輕量化鏡體高穩(wěn)定性設(shè)計與加工、復(fù)合能量作用下鏡面超精密磨削、全頻段誤差一致收斂的納米精度拋光、計算機(jī)輔助裝夾和復(fù)雜面形天地一致性測量等新一代空間光學(xué)制造的關(guān)鍵

18、技術(shù)問題，取得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果，并建立我國新一代2米口徑空間光學(xué)制造的基礎(chǔ)研究和試驗(yàn)平臺，以我國高分重大專項(xiàng)中典型大鏡為對象進(jìn)行工藝驗(yàn)證(加工工藝樣件由高分專項(xiàng)提供)。1）突破功能結(jié)構(gòu)材料空間光學(xué)鏡體的輕量化設(shè)計與加工關(guān)鍵技術(shù)。研究基于可制造性的輕量化鏡體定量反演設(shè)計技術(shù)、SiC材料高效低損超聲磨削的工藝控制技術(shù)、異形薄壁筋板鏡體的低應(yīng)力加工技術(shù)，建立數(shù)控超聲磨削加工試驗(yàn)平臺，空間光學(xué)鏡體輕量化率提高20。2）突破復(fù)合能場作用下空間光學(xué)材料的超精密微磨關(guān)鍵技術(shù)。研究SiC材料微磨的砂輪磨損機(jī)制及補(bǔ)償技術(shù)、金剛石微粉砂輪表面微修整技術(shù)、基于動態(tài)特性的光學(xué)鏡面高剛性少軸磨削技術(shù)，大型光學(xué)

19、元件微磨后形狀精度和亞表層損傷深度同時控制到10m量級，改變SiC材料磨削精度低、損傷大、僅作為粗加工手段的傳統(tǒng)光學(xué)制造理念，實(shí)現(xiàn)和光學(xué)拋光工藝的有效銜接。3）突破SiC材料空間大鏡的低應(yīng)力高效拋光技術(shù)。研究基于剪切去除和濺射去除原理的低應(yīng)力確定性拋光技術(shù)、非連續(xù)局部效應(yīng)的修形抑制技術(shù)、非線性畸變加工誤差補(bǔ)償技術(shù)和新原理拋光工藝關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空間光學(xué)元件低應(yīng)力修形拋光，加工精度達(dá)到/70 RMS，表面粗糙度達(dá)到RMS 12nm，為新一代空間光學(xué)制造工藝路線的形成和工程化提供支持。4）突破全頻段誤差的一致性收斂技術(shù)。研究全頻段誤差的表征和評價技術(shù)、適應(yīng)曲率變化的應(yīng)力盤形狀控制技術(shù)、拋光工具頻段誤

20、差的修形能力評價技術(shù)，建立優(yōu)化組合的工藝路線，實(shí)現(xiàn)全頻段誤差一致性收斂的拋光，鏡面誤差PV值與RMS值之比小于8，解決制約光學(xué)質(zhì)量提升的瓶頸難題。5）突破天地一致性測量技術(shù)。研究空間大鏡高穩(wěn)定高精度裝夾技術(shù)、重力應(yīng)力卸載技術(shù)、計算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)、多方法多姿態(tài)互檢的可信度評價技術(shù)，實(shí)現(xiàn)非制造變形誤差控制在納米量級，全口徑重復(fù)檢測精度優(yōu)于/100 RMS，滿足天地一致性要求的高精度測量。通過本項(xiàng)目的研究，擬在國內(nèi)外權(quán)威或重要刊物上發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文200篇以上，其中SCI、EI收錄150篇以上，撰寫專著3部以上，申請發(fā)明專利和軟件著作權(quán)25項(xiàng)以上；培養(yǎng)一批光學(xué)制造領(lǐng)域的優(yōu)秀中青年人才，包括博士后、

21、博士和碩士40名左右。三、研究方案4.1 學(xué)術(shù)思路以空間光學(xué)元件制造技術(shù)為研究對象，以空間使役環(huán)境下對大口徑大相對口徑、超大尺度精度比和輕薄異形等特殊要求為驅(qū)動，針對空間光學(xué)元件制造面臨的極度輕量化鏡體可制造性設(shè)計和高穩(wěn)定加工、超硬SiC材料光學(xué)鏡面超精密可控?fù)p傷微磨、基于機(jī)床動態(tài)特性的復(fù)雜光學(xué)鏡面展成的控位控時控力軌跡規(guī)劃、適應(yīng)輕量化光學(xué)元件的低應(yīng)力納米精度高效拋光、全頻段誤差表征與收斂控制、面形精度天地一致性測量與評定等六方面的技術(shù)瓶頸和挑戰(zhàn)，圍繞項(xiàng)目所提出的三個關(guān)鍵科學(xué)問題，通過對制造全過程的多場多尺度數(shù)字化建模、仿真和優(yōu)化控制方法進(jìn)行研究，發(fā)展先進(jìn)的超精密加工和確定可控拋光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對

22、光學(xué)元件加工過程的定量主動控制，創(chuàng)新空間光學(xué)制造理論和方法，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代空間光學(xué)制造關(guān)鍵技術(shù)和工藝，為空間詳查相機(jī)急需的新一代大型空間光學(xué)元件制造提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。4.2 技術(shù)途徑根據(jù)空間光學(xué)制造中存在的共性關(guān)鍵技術(shù)問題，通過理論建模、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，重點(diǎn)突破空間光學(xué)功能結(jié)構(gòu)一體化材料的鏡體和鏡面成形制造、光學(xué)鏡面低應(yīng)力納米精度高效拋光和全頻段誤差收斂、空間光學(xué)鏡面天地一致性多場解耦裝夾與高精度檢測等方面的技術(shù)瓶頸，發(fā)展光學(xué)元件超精密微磨、確定可控拋光新技術(shù)和新工藝，建立若干關(guān)鍵技術(shù)突破的原理樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)平臺，為實(shí)現(xiàn)空間光學(xué)高精度、高效率制造提供技術(shù)支撐。1）在

23、空間光學(xué)功能結(jié)構(gòu)一體化材料的鏡體和鏡面成形制造方面，針對空天使役環(huán)境和發(fā)射條件對空間光學(xué)鏡體結(jié)構(gòu)性能（輕量化和結(jié)構(gòu)剛度、整體質(zhì)量和局部剛度、結(jié)構(gòu)形狀和可制造性、能場復(fù)合和損傷調(diào)控）的要求，通過多場耦合、多工況條件下鏡體變形對鏡面誤差的影響建模和仿真分析，提出反射鏡體輕量化結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化反演設(shè)計方法和基于超聲磨削的高效低損傷輕量化結(jié)構(gòu)加工新工藝；通過對超硬材料光學(xué)鏡面微磨過程中砂輪鈍化規(guī)律和復(fù)合能場作用下銳度保持機(jī)制進(jìn)行研究，建立光學(xué)鏡面恒壓控時精度補(bǔ)償?shù)哪ハ鞒尚涡鹿に嚕辉谶@兩方面研究工作的基礎(chǔ)上，建立基于光學(xué)鏡面亞表層微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、表面形貌特征和幾何形狀精度的主動定量控制理論與方法，形成功能

24、結(jié)構(gòu)一體化材料光學(xué)鏡面保形、保性協(xié)調(diào)的成形制造新方法。2）在光學(xué)鏡面低應(yīng)力納米精度高效拋光和全頻段誤差收斂方面，針對空間大口徑光學(xué)元件在衍射極限條件下納米精度的面形要求，研究場輔助、高能束等非傳統(tǒng)光學(xué)拋光工藝中剪切力或?yàn)R射方式的材料去除機(jī)理，建立大口徑光學(xué)元件柔度可變的低應(yīng)力拋光工藝平臺，提出復(fù)雜光學(xué)曲面去除函數(shù)畸變、投影畸變等非線性補(bǔ)償理論和策略，解決鏡面拋光精度提升過程中的非連續(xù)局部誤差和非線性曲率畸變效應(yīng)，形成空間光學(xué)鏡面低應(yīng)力納米精度高效拋光的理論與方法；通過對光學(xué)系統(tǒng)成像進(jìn)行仿真研究，確定各頻段允差，研究應(yīng)力盤拋光技術(shù)、計算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)、磁流變和離子束拋光技術(shù)的組合加工控制

25、模型，獲得全頻段誤差一致收斂、高效穩(wěn)定的優(yōu)化工藝組合。3）在空間光學(xué)鏡面天地一致性多場解耦裝夾與高精度檢測方面，針對空間光學(xué)反射鏡在重力、溫度、大氣環(huán)境等多場耦合作用下的天地一致性與測量可信度問題，結(jié)合彈性力學(xué)理論與有限元仿真方法，分析大鏡面形對重力和裝夾力的響應(yīng)機(jī)制，設(shè)計合理的大鏡支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力的重力卸載；通過動力學(xué)與熱力學(xué)仿真和測試實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用統(tǒng)計分析和冗余信息融合方法，分離、抑制或補(bǔ)償測量誤差，實(shí)現(xiàn)天地一致性多場解耦；綜合運(yùn)用像差理論、位形空間理論與仿真分析方法，建立空間位置不確定性對光學(xué)系統(tǒng)波前誤差的影響模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面形的計算機(jī)輔助裝調(diào)檢測；分析零位檢驗(yàn)、非零位或近零位檢驗(yàn)等多種

26、測量方法的不確定度和誤差特征，通過信息挖掘與融合，建立復(fù)雜面形多種測量方法的交叉檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，提高測量結(jié)果的置信度水平。4）在空間光學(xué)制造理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)平臺方面，針對大口徑、輕薄異形和超大尺度精度比光學(xué)元件的制造，構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)平臺的應(yīng)用環(huán)境，驗(yàn)證本項(xiàng)目所提出的空間光學(xué)制造新原理和新方法，并在相關(guān)空間光學(xué)集成單位應(yīng)用。4.3 創(chuàng)新點(diǎn)與特色1）項(xiàng)目特色緊扣國家重大需求，發(fā)展新一代空間光學(xué)制造科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)目緊扣高分辨率對地觀測、深空探測和空間預(yù)警等國家重大需求開展研究，未來10年我國高分辨率對地觀測技術(shù)要實(shí)現(xiàn)從普查到詳查的跨越，空間光學(xué)制造將面臨口徑、精度要求大幅提升所帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)。項(xiàng)目從基礎(chǔ)科學(xué)

27、問題研究入手，采用創(chuàng)新的理論、工藝和方法，突破極度輕量化鏡體設(shè)計加工、全頻段誤差一致收斂拋光和天地一致性測量等瓶頸問題，形成符合空間光學(xué)技術(shù)發(fā)展需求的新一代確定可控空間光學(xué)制造技術(shù)。大口徑納米精度的極限制造空間光學(xué)系統(tǒng)衍射極限成像要求鏡面達(dá)到/50 RMS以上的加工精度，這一要求并不隨鏡面口徑的增大而降低，從而形成了108量級的超大尺度精度比，突破了傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝精度等級的極限。本項(xiàng)目依據(jù)Sigmund濺射理論、Bingham非牛頓流體理論，研究低應(yīng)力狀態(tài)下的可控拋光方法，掌握具有原子/分子量級確定性去除能力的磁流變、離子束大鏡拋光手段，實(shí)現(xiàn)超大尺度精度比光學(xué)元件加工，奠定宏尺度納米精度制造

28、的工藝?yán)碚摶A(chǔ)。實(shí)現(xiàn)天地一致性光學(xué)力學(xué)性能復(fù)合約束的光學(xué)制造技術(shù)跨越發(fā)展隨著空間光學(xué)元件口徑增大，鏡體質(zhì)量迅速增加，空間光學(xué)制造面臨極度輕量化鏡體高穩(wěn)定制造的革命性挑戰(zhàn)；同時大口徑輕量化空間光學(xué)元件對天地環(huán)境的差異極其敏感，滿足天地一致性要求的空間光學(xué)制造成為保證空間光學(xué)系統(tǒng)使役性能的關(guān)鍵。項(xiàng)目將可控?fù)p傷制造原理、結(jié)構(gòu)定量反演設(shè)計理論、誤差分離原理等新理論引入光學(xué)制造過程中，滿足空間光學(xué)天地一致性光學(xué)力學(xué)性能復(fù)合約束的特殊需求，極大豐富了光學(xué)制造技術(shù)的內(nèi)涵。多學(xué)科交叉融合空間光學(xué)制造已成為制造科學(xué)一個嶄新的分支，它是基于航空宇航、空間光學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)和制造科學(xué)等學(xué)科的最新成果而逐漸形成

29、和發(fā)展起來的，具有明顯的多學(xué)科綜合交叉特性。多學(xué)科融合促進(jìn)了其發(fā)展，同時空間光學(xué)制造技術(shù)的發(fā)展也將支撐航空宇航、空間光學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)步。2）項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)提出可控?fù)p傷和定量化反演設(shè)計相融合的高穩(wěn)定輕量化鏡體制造方法空間光學(xué)元件輕量化發(fā)展經(jīng)歷了從哈勃望遠(yuǎn)鏡光學(xué)主鏡面密度180kg/m2到Herschel的25kg/m2、再到未來20kg/m2的過程；在極度輕量化的同時，要保證鏡體具有足夠的剛度、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定性。針對這些挑戰(zhàn)，項(xiàng)目依據(jù)斷裂力學(xué)、納米力學(xué)、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和創(chuàng)新構(gòu)型設(shè)計，研究超硬材料薄壁件可控?fù)p傷的制造條件，并將其作為輕量化創(chuàng)新構(gòu)型設(shè)計的輸入條件，提高輕量化鏡體的設(shè)計生成能

30、力，建立功能結(jié)構(gòu)材料光學(xué)元件保形和保性協(xié)調(diào)的輕量化制造新方法。提出全頻段誤差一致收斂的納米精度光學(xué)元件制造方法為了滿足光學(xué)系統(tǒng)衍射極限成像條件，大口徑光學(xué)元件要求全頻段誤差一致收斂到納米精度，這對光學(xué)加工過程的誤差收斂能力提出了極大挑戰(zhàn)。項(xiàng)目依據(jù)光學(xué)散射理論和小波分析方法，解析光學(xué)性能對全頻段制造誤差的定量控制要求；通過研究微磨過程中機(jī)床動態(tài)特性演變和微觀形貌的生成規(guī)律，創(chuàng)新提出將基于柔順控制的超精密微磨方法引入光學(xué)加工中，實(shí)現(xiàn)損傷和微觀形貌可控的復(fù)雜形狀高精度展成；基于斷裂力學(xué)、Sigmund濺射理論、Bingham非牛頓流體理論和信息學(xué)原理，分析去除函數(shù)形態(tài)對宏微跨尺度誤差的收斂能力，創(chuàng)新

31、提出平動應(yīng)力盤光順和磁流變、離子束拋光組合的全頻段誤差收斂新工藝，這些工藝的組合突破了傳統(tǒng)光學(xué)制造的工藝路線，解決了低應(yīng)力確定可控拋光的難題，實(shí)現(xiàn)全頻段誤差一致收斂的納米精度加工，形成超大尺度精度比空間鏡面的納米精度生成新工藝和新方法。提出多場解耦、滿足天地一致性條件的空間光學(xué)元件誤差分離測量方法隨著空間光學(xué)元件口徑增大、輕量化率提高，對天地環(huán)境的差異更加敏感，對制造誤差和非制造變形進(jìn)行有效分離是保證光學(xué)元件天地一致性測量的關(guān)鍵。項(xiàng)目基于結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元分析理論，解析由重力、裝夾應(yīng)力、溫度、氣流等帶來的非制造變形，采用誤差分離理論和不確定性分析理論，解析測量過程的誤差源，提高測量可信度；在此基

32、礎(chǔ)上研究實(shí)現(xiàn)重力、應(yīng)力卸載的裝夾方法，對測量環(huán)境進(jìn)行有效控制，采用多方法和多姿態(tài)的互檢，解決多場解耦天地一致性測量的難題，形成空間光學(xué)天地一致性誤差分離測量的新方法和新理論。4.4 可行性分析本項(xiàng)目研究緊扣“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”和“載人航天與探月工程”等國家重大需求，針對我國空間遙感技術(shù)從普查到詳查跨越發(fā)展的具體要求，研究具有大口徑、輕量化、復(fù)雜面形、納米精度特征的現(xiàn)代空間光學(xué)元件制造理論和方法，支撐我國空間光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究意義重大。項(xiàng)目針對制約我國空間光學(xué)技術(shù)發(fā)展的制造技術(shù)瓶頸，從輕量化鏡體制造、全頻段誤差納米精度控制和天地一致性測量三方面入手，通過深入的基礎(chǔ)研究，創(chuàng)新工藝手段，將制造

33、領(lǐng)域的最新研究成果應(yīng)用到空間光學(xué)制造中，突破傳統(tǒng)光學(xué)制造理念和加工精度的極限，發(fā)展新一代空間光學(xué)制造技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)滿足衍射極限條件、符合天地一致性要求的空間光學(xué)元件加工奠定理論和工藝基礎(chǔ)。項(xiàng)目研究目標(biāo)先進(jìn)、內(nèi)容具體、基礎(chǔ)性前瞻性強(qiáng)。研究團(tuán)隊(duì)集中了我國長期承擔(dān)空間光學(xué)系統(tǒng)型號研制任務(wù)的主要光學(xué)單位和長期從事超精密加工基礎(chǔ)研究的高校，有光學(xué)領(lǐng)域的院士做指導(dǎo)，有杰出青年和長期從事相關(guān)技術(shù)研究的專家擔(dān)任課題負(fù)責(zé)人，形成了空間光學(xué)制造技術(shù)研究的國家隊(duì)。同時這些單位擁有和課題研究內(nèi)容相關(guān)的多個國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，為項(xiàng)目研究提供了國內(nèi)最好的條件。前期在光學(xué)加工技術(shù)方面的研究與

34、實(shí)踐以及在磁流變、離子束和應(yīng)力盤拋光等單項(xiàng)技術(shù)研究方面取得的突破，為項(xiàng)目研究的順利開展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為成果的順利轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供了條件。4.5 課題設(shè)置和課題間相互關(guān)系以大口徑、超大尺度精度比和輕薄異形空間光學(xué)元件制造技術(shù)為研究對象，圍繞三個關(guān)鍵科學(xué)問題，從光學(xué)元件保形保性微磨機(jī)理、納米精度面形生成和空間大鏡可信測量三個層面設(shè)置如下6個課題，各課題之間的相互關(guān)系見圖1所示。課題1：SiC材料空間光學(xué)鏡體輕量化設(shè)計與高效加工新方法；課題2：復(fù)合能場作用下SiC材料超精密微磨機(jī)理與關(guān)鍵技術(shù)；課題3：復(fù)雜光學(xué)面形超精密加工的展成控制；課題4：空間光學(xué)鏡面的低應(yīng)力納米精度高效拋光；課題5：空間光學(xué)鏡面

35、全頻段誤差的表征與一致性收斂控制；課題6：復(fù)雜面形光學(xué)元件多場耦合條件下的誤差分離測量理論與方法。圖1 課題設(shè)置思路和相互關(guān)系課題1：SiC材料空間光學(xué)鏡體輕量化設(shè)計與高效加工新方法研究目標(biāo)：針對功能結(jié)構(gòu)一體化材料空間光學(xué)鏡體的輕量化要求，基于多參數(shù)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，考慮鏡體結(jié)構(gòu)的可制造性，提出面向制造的空間光學(xué)輕量化鏡體創(chuàng)新構(gòu)型反演設(shè)計理論和方法；針對鏡體的材料特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及現(xiàn)有輕量化工藝的局限，提出對燒結(jié)成型SiC鏡體進(jìn)行超聲磨削等多能場作用的輕量化加工新方法，研究SiC材料的高效低損傷精密磨削加工機(jī)理，分析磨削加工亞表層損傷對SiC鏡體變形的影響，研究SiC鏡體輕量化加工的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

36、性評價與控制方法，為空間光學(xué)鏡體的高剛度、高穩(wěn)定性輕量化提供先進(jìn)設(shè)計理論及工藝技術(shù)。研究內(nèi)容：1）面向制造的空間光學(xué)輕量化鏡體創(chuàng)新構(gòu)型反演設(shè)計理論2）SiC材料的高效低損傷復(fù)合能場精密磨削加工機(jī)理3）復(fù)合能場作用下SiC鏡體的輕量化磨削加工方法與工藝優(yōu)化4）SiC鏡體輕量化加工的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價與控制方法經(jīng)費(fèi)比例：16承擔(dān)單位：大連理工大學(xué)，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所課題負(fù)責(zé)人：康仁科學(xué)術(shù)骨干：趙福令，董志剛，周平，李志來課題2：復(fù)合能場作用下SiC材料超精密微磨機(jī)理與關(guān)鍵技術(shù)研究目標(biāo)：針對大型空間光學(xué)反射鏡對加工形狀精度和表面/亞表層質(zhì)量的極端要求以及SiC材料高硬度、高脆性、磨削

37、加工易產(chǎn)生表面/亞表層損傷、砂輪磨損嚴(yán)重影響加工精度等特點(diǎn)，研究SiC材料在力、熱、電等復(fù)合能場作用下超精密微磨的材料去除機(jī)理、表面微觀紋理與表面/亞表層損傷的形成機(jī)理，確定超精密微磨亞表層損傷深度的檢測和評價方法，揭示大型SiC鏡面超精密微磨時砂輪的磨損鈍化機(jī)制及其對加工精度、表面質(zhì)量的影響規(guī)律，研究金剛石微粉砂輪微修整機(jī)制及在線實(shí)現(xiàn)方法，獲得大型SiC鏡面高精度、低損傷協(xié)同優(yōu)化的工藝方法。研究內(nèi)容：1）復(fù)合能場作用下SiC材料超精密微磨的材料去除及亞表層損傷形成機(jī)理2）SiC材料超精密磨削亞表層損傷的檢測與評價方法3）砂輪磨損鈍化機(jī)制及其對加工表面生成的影響規(guī)律4）金剛石微粉砂輪微修整機(jī)制

38、及在線實(shí)現(xiàn)方法5）大口徑SiC鏡面超精密磨削工藝的協(xié)同優(yōu)化經(jīng)費(fèi)比例：12%承擔(dān)單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：張飛虎學(xué)術(shù)骨干：甘陽，施平，張勇，石峰課題3：復(fù)雜光學(xué)面形超精密加工的展成控制研究目標(biāo)：針對硬脆光學(xué)材料難去除、變曲率鏡面形復(fù)雜等特點(diǎn)，研究磨削工藝的影響因素，分析多軸聯(lián)動系統(tǒng)剛度變化及幾何誤差的耦合規(guī)律，提出高面形精度、低損傷磨削的混合控制條件；研究傳熱、應(yīng)力、系統(tǒng)運(yùn)動耦合作用下兩體/三體微磨表面微觀形貌的表征方法，形成剛度、慣量時變、參數(shù)不確定條件下多軸運(yùn)動系統(tǒng)幾何與動力學(xué)的集成優(yōu)化理論，探索作用力、加工位置和時間的協(xié)同控制原理、軌跡規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)方法。

39、研究內(nèi)容：1）高精度、高表面質(zhì)量復(fù)雜曲面展成的幾何與物理表征2）復(fù)雜面形展成的多軸運(yùn)動系統(tǒng)幾何與力學(xué)集成優(yōu)化理論3）復(fù)雜面形超精密磨削控力軌跡規(guī)劃與力位混合數(shù)控實(shí)現(xiàn)4）復(fù)雜面形高效精密研磨主動柔順控制理論與實(shí)現(xiàn)方法經(jīng)費(fèi)比例：13%承擔(dān)單位：上海交通大學(xué)，蘇州大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：殷躍紅學(xué)術(shù)骨干：潘君驊，裴景玉，費(fèi)燕瓊，言勇華課題4：空間光學(xué)鏡面的低應(yīng)力納米精度高效拋光研究目標(biāo)：針對輕量化空間光學(xué)元件低應(yīng)力納米精度的拋光要求，基于Bingham非牛頓流體理論和Sigmund濺射理論，揭示剪切力去除或?yàn)R射去除等低應(yīng)力材料去除機(jī)理，建立磁流變、離子束拋光可控參數(shù)的去除函數(shù)模型，提出光學(xué)鏡面成形拋光中去除函

40、數(shù)畸變和投影畸變等非線性畸變補(bǔ)償?shù)恼`差收斂算法，對“邊緣效應(yīng)”、“格子效應(yīng)”等非連續(xù)局部效應(yīng)誤差進(jìn)行主動控制，在磁流變、離子束拋光等低應(yīng)力拋光平臺上實(shí)現(xiàn)空間光學(xué)鏡面的低應(yīng)力納米精度高效拋光。研究內(nèi)容：1）空間光學(xué)鏡面低應(yīng)力拋光機(jī)理和去除函數(shù)可控方法2）基于主動精度補(bǔ)償?shù)恼`差收斂理論3）抑制非連續(xù)局部效應(yīng)的納米精度修形方法4）納米精度低應(yīng)力高收斂率的成形拋光工藝經(jīng)費(fèi)比例：26%承擔(dān)單位：中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：李圣怡學(xué)術(shù)骨干：戴一帆，彭小強(qiáng)，王建敏，鄭子文課題5：空間光學(xué)鏡面全頻段誤差的表征與一致性收斂控制研究目標(biāo)：通過對空間光學(xué)系統(tǒng)成像進(jìn)行仿真研究，揭示光學(xué)鏡面各空間頻段誤差

41、對成像質(zhì)量的影響規(guī)律，確定各頻段允差；分別建立基于“平轉(zhuǎn)動”應(yīng)力盤拋光技術(shù)、數(shù)控小磨頭成形技術(shù)、磁流變拋光技術(shù)、離子束拋光技術(shù)的加工工藝模型，揭示光學(xué)表面低頻、中頻、高頻誤差的形成與演化規(guī)律，建立其預(yù)測與評價方法；開展組合拋光工藝的控制與優(yōu)化方法研究，獲得全頻段誤差一致收斂、高效穩(wěn)定的工藝組合優(yōu)化方法，結(jié)合在研工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)1m口徑以上空間光學(xué)反射鏡全頻段誤差的一致性收斂。研究內(nèi)容：1）全頻段制造誤差對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響規(guī)律2）光學(xué)表面低頻、中頻、高頻誤差的形成機(jī)理與評價方法3）全頻段誤差一致性收斂的工藝組合優(yōu)化方法4）1m以上口徑SiC離軸非球面反射鏡全頻段誤差一致性收斂的實(shí)現(xiàn)方法經(jīng)費(fèi)比例

42、：19%承擔(dān)單位：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所課題負(fù)責(zé)人：張學(xué)軍學(xué)術(shù)骨干：鄭立功，張忠玉，張峰，薛棟林課題6：復(fù)雜面形光學(xué)元件多場耦合條件下的誤差分離測量理論與方法研究目標(biāo)：針對空間大鏡多場作用下誤差耦合的問題，對測量系統(tǒng)誤差源進(jìn)行集成分析，研究誤差可分離性，建立制造誤差和非制造變形的誤差分離模型；研究多場耦合對面形誤差的影響規(guī)律，建立大鏡非制造變形的可控條件，提出測量過程中重力卸載以及微應(yīng)力裝夾方法；采用多種測量方法互檢互校以提高測量可信度，在多場耦合條件下解耦鏡面加工殘余誤差與失調(diào)誤差，為高精度拋光過程提供可靠的指導(dǎo)，使空間光學(xué)鏡面達(dá)到天地一致的面形精度要求。研究內(nèi)容：1）多場耦

43、合條件下空間光學(xué)鏡面誤差源集成分析與分離理論2）空間大口徑反射鏡檢測中重力卸載方法及微應(yīng)力裝夾實(shí)現(xiàn)3）復(fù)雜面形光學(xué)元件計算機(jī)輔助裝調(diào)的測量方法4）高精度復(fù)雜光學(xué)面形多測量方法交叉檢驗(yàn)及標(biāo)定方法經(jīng)費(fèi)比例：14%承擔(dān)單位：中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：鄭列華學(xué)術(shù)骨干：龔惠興，王敬，陳善勇，王鵬四、年度計劃研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年1）研究大口徑及超大口徑空間SiC反射鏡鏡體結(jié)構(gòu)剛性數(shù)字化仿真分析方法，初步實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價和優(yōu)化；2）大口徑及超大口徑SiC材料磨削可制造性分析建模及仿真研究；3）超聲、電解復(fù)合能場作用下SiC 材料磨削方案設(shè)計；4）高精度、高表

44、面質(zhì)量大口徑復(fù)雜曲面展成的幾何與物理表征；5）超大型輕薄光學(xué)鏡面條件下SiC材料的磁流變拋光材料去除分析研究；6）光學(xué)表面全頻段誤差的建模方法與產(chǎn)生機(jī)理分析。7）大口徑空間光學(xué)鏡面多場耦合條件下檢測系統(tǒng)誤差源分析；1）通過研究大口徑及超大口徑空間SiC反射鏡鏡體結(jié)構(gòu)剛性的仿真分析方法，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的有效評價；2）掌握影響大口徑SiC材料磨削精度和表面質(zhì)量的基本因素及其規(guī)律。3）提出多能復(fù)合作用下的SiC材料超精密磨削方法，完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計論證；4）針對空間光學(xué)大口徑復(fù)雜曲面的銑磨成形，建立曲面展成的幾何與物理表征模型；5）建立超大型輕薄光學(xué)鏡面條件下SiC材料磁流變拋光的材料去除效率、應(yīng)力、時

45、間留駐等模型，為實(shí)驗(yàn)研究提供依據(jù)；6）提出PSD和小波等全頻段誤差分析方法，分析其生成規(guī)律；7）建立大口徑復(fù)雜面形測量系統(tǒng)模型，對誤差源進(jìn)行定性定量分析；第二年1）研究以輕量化率和結(jié)構(gòu)剛性等為約束的SiC反射鏡鏡體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型設(shè)計方法；2）研究復(fù)合能場在SiC 材料磨削中的作用機(jī)制，研究復(fù)合能場作用下材料去除規(guī)律及對結(jié)構(gòu)和鏡面的損傷影響；3）研究多軸運(yùn)動系統(tǒng)的動態(tài)特性，提出動態(tài)條件下多軸運(yùn)動系統(tǒng)幾何及力學(xué)建模方法，建立大口徑及超大口徑復(fù)雜面形展成中剛度、壓力等非線性變化模型；4）SiC材料輕薄光學(xué)鏡面的離子束拋光機(jī)理和加工熱應(yīng)力分析；復(fù)雜面形離子束拋光去除函數(shù)非線性變化規(guī)律，最小去除分辨率可控

46、性研究；5）研究誤差頻率和幅值成分對光學(xué)性能的影響規(guī)律，建立關(guān)系模型；6）基于大口徑及超大口徑空間反射鏡的變形控制要求，研究裝夾的重力及應(yīng)力卸載方法。1）通過研究，在傳統(tǒng)減重設(shè)計的基礎(chǔ)上，掌握以空間大鏡使役條件為約束的創(chuàng)新構(gòu)型設(shè)計方法，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計；2）通過超聲和電解等復(fù)合能場在SiC材料磨削中的實(shí)驗(yàn)研究，初步掌握其作用規(guī)律，初步建立大口徑和超大口徑復(fù)合能場磨削的控制方法；3）掌握多軸運(yùn)動系統(tǒng)大跨度運(yùn)動條件下的動態(tài)特性的變化規(guī)律，初步建立大口徑復(fù)雜面形展成的優(yōu)化控制方法；4）掌握離子束拋光SiC材料的響應(yīng)機(jī)制，獲得材料去除模型和熱學(xué)力學(xué)特性，初步建立納米及亞納米量級分辨率的有效去除控

47、制方法；5）建立誤差對光學(xué)性能影響規(guī)律的分析方法，提出不同頻段誤差的控制依據(jù)；6）提出大口徑及超大口徑反射鏡重力應(yīng)力卸載理論，初步建立滿足天地一致性測量要求的裝夾設(shè)計方法。第三年1）研究輕量化反射鏡鏡體結(jié)構(gòu)加工損傷產(chǎn)生機(jī)制，分析損傷對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響關(guān)系，研究面向制造的大口徑輕量化鏡體創(chuàng)新構(gòu)型反演設(shè)計理論。2）研究SiC材料磨削的砂輪磨損及鈍化規(guī)律，研究大口徑及超大口徑SiC鏡面超精密磨削的可補(bǔ)償特性；3）建立復(fù)雜面形展成的多軸運(yùn)動系統(tǒng)幾何與力學(xué)集成優(yōu)化理論，研究復(fù)雜面形超精密磨削控力軌跡規(guī)劃與力位混合數(shù)控實(shí)現(xiàn)方法；4）研究低應(yīng)力拋光大口徑和超大口徑反射鏡面的去除函數(shù)穩(wěn)定性控制理論，研究主動精度補(bǔ)償?shù)恼`差收斂理論；5）比較不同加工方法低、中、高頻誤差的變化，研究不同頻率誤差的產(chǎn)生規(guī)律，分析誤差抑制能力；6）研究復(fù)雜面形空間位姿形態(tài)對像差的影響規(guī)律，研