CB013200-G空間光學先進制造基礎理論及關鍵技術研究

1、項目名稱：空間光學先進制造基礎理論及關鍵技術研究首席科學家：李圣怡 中國人民解放軍國防科學技術大學起止年限：依托部門：國防科技大學一、關鍵科學問題及研究內容以新一代大口徑、輕量化、復雜面形、納米精度為特點的空間光學元件制造技術為研究對象，圍繞大鏡輕量化、高精度面形加工、復雜面形檢測與評價等關鍵環(huán)節(jié)，揭示空間光學制造全過程的科學規(guī)律，建立和發(fā)展以超精、高效、可控自動化為特色的光學制造新方法和核心技術體系。開展以下關鍵科學問題的研究：科學問題一：功能結構材料空間光學鏡體輕量化定量反演設計與復合能場作用的結構創(chuàng)成機制大鏡輕量化帶來了空間光學元件由光學性能約束向光學力學性能復合約束的革命性變化。大鏡鏡

2、坯制造經歷鏡體設計、減重加工和表面成形等關鍵工序，將設計、加工作為一個整體，研究可制造性條件下的反演設計和鏡體的高穩(wěn)定制造技術。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，研究基于力學性能要求的拓撲優(yōu)化設計方法，分析制造過程應力應變對結構穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出可制造性條件約束下的創(chuàng)新構型反演設計方法；研究復合能場作用下功能結構一體化材料的去除機理，探索輕量化結構生成的應力應變調控機制及其加工方法；基于壓痕斷裂力學理論，研究超硬SiC材料微磨機理，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，形成光學表面生成的優(yōu)化工藝方法；實現(xiàn)輕量化和結構剛度、

3、整體質量和局部剛度、結構形狀和可制造性、能場復合和損傷調控等條件下的有效協(xié)同制造。通過多學科交叉研究，系統(tǒng)形成輕量化大鏡的空間光學可制造性理論?？茖W問題二：衍射極限條件下納米精度復雜光學面形生成機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，為了提高成像質量，實現(xiàn)光學性能約束下的制造，傳統(tǒng)機械制造面形、波紋度、粗糙度的公差理論已不能滿足空間光學制造全頻段誤差的表征與控制要求。因此需要將復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雜光學表面展成的幾何與物理表征，揭示大型超精密光學磨床少軸高剛性流形結構的反

4、演規(guī)律；基于Harvey-Shack散射理論和Goodman統(tǒng)計光學理論，提出中高頻誤差的小波分析方法，解析全頻段誤差和光學性能之間的映射關系，提出科學表征和一致收斂的控制方法；研究磁流變、離子束等低應力拋光的材料去除機理，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，實現(xiàn)空間光學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。科學問題三：空間光學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，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)境變化對測量結果的耦合作用規(guī)律，基于Couder多點支撐理論和多場耦合下復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，研究重力和應力有效卸載的裝夾設計方法；基于復雜面形C-空間理論和光學系統(tǒng)的節(jié)點像差理論，分析復雜面形姿態(tài)變化對測量精度的影響規(guī)律，提出計算機輔助的優(yōu)化

6、調控方法，實現(xiàn)對離軸、離焦和光軸位置的精確調控；分析測量系統(tǒng)的誤差影響因素，提出環(huán)境、光路、補償器精度的受控條件，建立多方法和多姿態(tài)互檢的統(tǒng)計檢驗與推斷模型，對補償光路進行有效標校，實現(xiàn)空間輕量化大鏡非制造變形受控的誤差分離測量。主要研究內容包括：圍繞科學問題一：功能結構材料空間光學鏡體輕量化定量反演設計與復合能場作用的結構創(chuàng)成機制，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，必須進行功能結構一體化材料空間光學鏡體的輕量化設計和加工研究。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)學模型，基于多參數(shù)優(yōu)化

7、和拓撲優(yōu)化技術，建立可制造性條件約束的鏡體輕量化結構創(chuàng)新構型反演設計的新方法；開發(fā)針對燒結成型SiC鏡體進行超聲等復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、去除機理以及亞表層損傷的微觀演化機制，研究SiC材料高效低損傷加工工藝；以優(yōu)化設計的SiC鏡體輕量化結構參數(shù)為依據(jù)，進行數(shù)控磨削加工試驗，分析復合能場磨削復雜薄壁結構時加工精度、加工效率和結構變形的影響規(guī)律，確定不同形狀、尺寸鏡體輕量化結構的最優(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鏡體輕量化加工結構穩(wěn)定

8、性的影響規(guī)律，提出結構穩(wěn)定性的評價與控制方法。2）為了縮短大鏡加工周期、提高加工質量，必須提高復雜面形的磨削精度，控制加工損傷。針對大口徑空間光學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、磨削加工易產生亞表層損傷、砂輪磨損嚴重影響加工精度等特點，研究SiC材料在力、熱、電等復合能場作用下超精密微磨的材料去除機理、表面微觀紋理與亞表層損傷的形成機制，建立超精密磨削亞表層損傷的檢測和評價方法；基于壓痕斷裂力學理論，揭示大型SiC鏡面超精密磨削時砂輪的磨損鈍化機制及其對加工精度和表面質量的影響規(guī)律，研究金剛石微粉砂輪微修整機制及在線實現(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、加工精度的預測和控制方法，建立恒壓控時的砂輪磨損補償新方法，進行優(yōu)化條件下的超精密微磨實驗，形成大口徑、高精度、低損傷SiC鏡面超精密磨削的新工藝理論和技術。圍繞科學問題二：衍射極限條件下納米精度復雜光學面形生成機理及全頻段誤差表征與控制，開展以下研究：1）復雜光學面形加工與材料去除工藝、機床運動學動力學控制直接相關，光學加工過程由經驗主導往確定可控的方向轉變，迫切需要研究復雜面形加工工藝系統(tǒng)特性的可控條件，實現(xiàn)加工過程控位、控力、控時，確保工藝條件的穩(wěn)定可控。針對光學材料難去除、變曲率鏡面形狀復雜、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，研究基于誘導曲面的復雜面形展成數(shù)學原理與非線性熱力學的物理表征；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)；研究表面質量約束下壓力、速度、駐留時間自適應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現(xiàn)方法。2）拋光修形是空間大鏡納米精度生成的關鍵工藝，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”、“邊緣效應”等非連續(xù)局部效應和非線性曲率畸變誤差等制造技術挑戰(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，以實現(xiàn)空間光學鏡面高效納米精度成形；研究離軸非球面等復雜光學曲面加工中非線性畸變誤差的產生原理，提出去除函數(shù)畸變補償和投影畸變補償方法，建立基于主動非線性補償光學鏡面確定性拋光誤差的收斂理論；研究輕量化結構光學反射鏡加工中

12、非連續(xù)局部效應誤差的產生機理，提出基于低應力拋光工藝的主動抑制方法；研究適應大口徑光學元件加工的磁流變、離子束拋光工具和工藝系統(tǒng)設計理論與方法，建立低應力拋光工藝平臺；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力拋光的工藝實驗，形成納米精度低應力高收斂率的成形拋光工藝。3）不同頻段誤差形成的點擴散函數(shù)不同，會對成像清晰度、銳度和照度等光學性能帶來不同影響，因此對全頻段誤差的幅值、頻率、分布等提出明確控制目標，實現(xiàn)其一致收斂是高分辨率成像和高聚能光學元件的必然要求。基于Harvey-Shack散射理論和Goodman統(tǒng)計光學理論，提出中高頻誤差的小波分析方法，通過光學系

13、統(tǒng)成像仿真研究，揭示光學表面低頻、中頻、高頻誤差對光學系統(tǒng)成像質量的影響機理，確定各頻段允差；通過研究光學加工各工藝過程中的材料去除機理，揭示各頻段誤差的形成規(guī)律，建立預測與評價方法；開展形狀可控的大口徑應力盤拋光工藝研究，開發(fā)基于“平轉動”應力拋光盤光順技術；建立新的組合拋光工藝路線，按照各種工藝方法的去除機理建立數(shù)學模型，獲得全頻段誤差一致收斂、高效穩(wěn)定的優(yōu)化工藝組合并進行工藝實驗。圍繞科學問題三：空間光學元件多場耦合作用下誤差分離測量原理，開展以下研究：空間光學大鏡對重力、應力和環(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，實現(xiàn)對加工質量的有效評價，必須開展復雜面形光

14、學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，建立重力和應力有效卸載的裝夾設計方法；研究復雜面形姿態(tài)變化對測量精度的影響規(guī)律，提出計算機輔助的優(yōu)化調控方法，實現(xiàn)對離軸、離焦和光軸位置的精確調控；分析測量系統(tǒng)誤差的影響因素，提出環(huán)境、光路、補償器精度的受控條件，建立多方法和多姿態(tài)的互檢方法，對補償光路進行有效標校，實現(xiàn)空間輕量化大鏡非制造變形受控的誤差分離測量，通過實驗研究，形成系統(tǒng)的誤差分離測量方法。二、預期目標3.1 本項目的總體目標本項目將針對國家對SiC輕量化空間大型光學元件制造技術的重大需求，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鍵基礎科學問題。圍繞功能結構材料空間光學鏡體輕量化定量反演設計與復合能場作用的結構創(chuàng)成機制、衍射極限條件下納米精度復雜光學面形生成機理及全頻段誤差表征與控制、空間光學元件多場耦合作用下誤差分離測量原理等關鍵科學問題進行研究，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鍵點為突破口，創(chuàng)新可控光學制造理論，采用復合能場超精密磨削、磁流變和離子束拋光、平動應力盤光順等新工藝，提升以輕量化、大口徑、復雜面形、納米精度為特征的空間光學元件制造水平；重點揭示極限工況條件下光學加工和檢測過程的可控

16、性規(guī)律，建立面向新一代光學制造的理論基礎，實現(xiàn)從“單一光學性能約束經驗主導的光學制造”向“光學力學性能復合約束確定可控的現(xiàn)代空間光學制造”躍升，推動科學技術的進步和相關產業(yè)的發(fā)展，培養(yǎng)一批從事該領域前沿科學研究、具有創(chuàng)新思想的高科技人才。3.2 五年預期目標在理論研究方面解決2m超大口徑輕量化SiC空間光學元件高精度制造中的科學問題，建立可控光學制造的新原理和新方法。1）揭示復合能場作用下SiC材料鏡體結構的創(chuàng)成機理，闡明鏡體可控損傷高效加工的可制造性條件，研究設計、制造過程中動態(tài)交互的輕量化創(chuàng)新構型反演設計方法，實現(xiàn)集設計、制造于一體的高穩(wěn)定性輕量化空間光學鏡體的高效可控制造。2）揭示光學表

17、面全頻段誤差對光學性能影響的定量映射關系，提出光學系統(tǒng)在衍射極限條件下完善成像的制造約束條件，研究低應力拋光過程的材料去除機理，實現(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)計檢驗與推斷模型，對補償光路進行有效標校，實現(xiàn)空間輕量化大鏡非制造變形受控的誤差分離測量。在技術應用方面通過本項目研究，解決空間光學輕量化鏡體高穩(wěn)定性設計與加工、復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、計算機輔助裝夾和復雜面形天地一致性測量等新一代空間光學制造的關鍵

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

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)光學制造理念，實現(xiàn)和光學拋光工藝的有效銜接。3）突破SiC材料空間大鏡的低應力高效拋光技術。研究基于剪切去除和濺射去除原理的低應力確定性拋光技術、非連續(xù)局部效應的修形抑制技術、非線性畸變加工誤差補償技術和新原理拋光工藝關鍵技術，實現(xiàn)空間光學元件低應力修形拋光，加工精度達到/70 RMS，表面粗糙度達到RMS 12nm，為新一代空間光學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。研究全頻段誤差的表征和評價技術、適應曲率變化的應力盤形狀控制技術、拋光工具頻段誤

20、差的修形能力評價技術，建立優(yōu)化組合的工藝路線，實現(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，解決制約光學質量提升的瓶頸難題。5）突破天地一致性測量技術。研究空間大鏡高穩(wěn)定高精度裝夾技術、重力應力卸載技術、計算機輔助裝調技術、多方法多姿態(tài)互檢的可信度評價技術，實現(xiàn)非制造變形誤差控制在納米量級，全口徑重復檢測精度優(yōu)于/100 RMS，滿足天地一致性要求的高精度測量。通過本項目的研究，擬在國內外權威或重要刊物上發(fā)表高水平學術論文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25項以上；培養(yǎng)一批光學制造領域的優(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 學術思路以空間光學元件制造技術為研究對象，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動，針對空間光學元件制造面臨的極度輕量化鏡體可制造性設計和高穩(wěn)定加工、超硬SiC材料光學鏡面超精密可控損傷微磨、基于機床動態(tài)特性的復雜光學鏡面展成的控位控時控力軌跡規(guī)劃、適應輕量化光學元件的低應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瓶頸和挑戰(zhàn)，圍繞項目所提出的三個關鍵科學問題，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)化控制方法進行研究，發(fā)展先進的超精密加工和確定可控拋光技術，實現(xiàn)對

22、光學元件加工過程的定量主動控制，創(chuàng)新空間光學制造理論和方法，研發(fā)具有自主知識產權的新一代空間光學制造關鍵技術和工藝，為空間詳查相機急需的新一代大型空間光學元件制造提供理論和技術基礎。4.2 技術途徑根據(jù)空間光學制造中存在的共性關鍵技術問題，通過理論建模、仿真分析和實驗驗證相結合的方式，重點突破空間光學功能結構一體化材料的鏡體和鏡面成形制造、光學鏡面低應力納米精度高效拋光和全頻段誤差收斂、空間光學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瓶頸，發(fā)展光學元件超精密微磨、確定可控拋光新技術和新工藝，建立若干關鍵技術突破的原理樣機和實驗平臺，為實現(xiàn)空間光學高精度、高效率制造提供技術支撐。1）在

23、空間光學功能結構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)射條件對空間光學鏡體結構性能（輕量化和結構剛度、整體質量和局部剛度、結構形狀和可制造性、能場復合和損傷調控）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構的拓撲優(yōu)化反演設計方法和基于超聲磨削的高效低損傷輕量化結構加工新工藝；通過對超硬材料光學鏡面微磨過程中砂輪鈍化規(guī)律和復合能場作用下銳度保持機制進行研究，建立光學鏡面恒壓控時精度補償?shù)哪ハ鞒尚涡鹿に?；在這兩方面研究工作的基礎上，建立基于光學鏡面亞表層微觀結構穩(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、結構一體化材料光學鏡面保形、保性協(xié)調的成形制造新方法。2）在光學鏡面低應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)光學拋光工藝中剪切力或濺射方式的材料去除機理，建立大口徑光學元件柔度可變的低應力拋光工藝平臺，提出復雜光學曲面去除函數(shù)畸變、投影畸變等非線性補償理論和策略，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，形成空間光學鏡面低應力納米精度高效拋光的理論與方法；通過對光學系統(tǒng)成像進行仿真研究，確定各頻段允差，研究應力盤拋光技術、計算機控制光學表面成形技術、磁流變和離子束拋光技術的組合加工控制

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，結合彈性力學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機制，設計合理的大鏡支撐結構，實現(xiàn)低應力的重力卸載；通過動力學與熱力學仿真和測試實驗，運用統(tǒng)計分析和冗余信息融合方法，分離、抑制或補償測量誤差，實現(xiàn)天地一致性多場解耦；綜合運用像差理論、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系統(tǒng)波前誤差的影響模型，實現(xiàn)復雜面形的計算機輔助裝調檢測；分析零位檢驗、非零位或近零位檢驗等多種

26、測量方法的不確定度和誤差特征，通過信息挖掘與融合，建立復雜面形多種測量方法的交叉檢驗模型，提高測量結果的置信度水平。4）在空間光學制造理論基礎和關鍵技術平臺方面，針對大口徑、輕薄異形和超大尺度精度比光學元件的制造，構建關鍵技術平臺的應用環(huán)境，驗證本項目所提出的空間光學制造新原理和新方法，并在相關空間光學集成單位應用。4.3 創(chuàng)新點與特色1）項目特色緊扣國家重大需求，發(fā)展新一代空間光學制造科學與技術項目緊扣高分辨率對地觀測、深空探測和空間預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要實現(xiàn)從普查到詳查的跨越，空間光學制造將面臨口徑、精度要求大幅提升所帶來的技術挑戰(zhàn)。項目從基礎科學

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，形成符合空間光學技術發(fā)展需求的新一代確定可控空間光學制造技術。大口徑納米精度的極限制造空間光學系統(tǒng)衍射極限成像要求鏡面達到/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)機械加工工藝精度等級的極限。本項目依據(jù)Sigmund濺射理論、Bingham非牛頓流體理論，研究低應力狀態(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，實現(xiàn)超大尺度精度比光學元件加工，奠定宏尺度納米精度制造

28、的工藝理論基礎。實現(xiàn)天地一致性光學力學性能復合約束的光學制造技術跨越發(fā)展隨著空間光學元件口徑增大，鏡體質量迅速增加，空間光學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制造成為保證空間光學系統(tǒng)使役性能的關鍵。項目將可控損傷制造原理、結構定量反演設計理論、誤差分離原理等新理論引入光學制造過程中，滿足空間光學天地一致性光學力學性能復合約束的特殊需求，極大豐富了光學制造技術的內涵。多學科交叉融合空間光學制造已成為制造科學一個嶄新的分支，它是基于航空宇航、空間光學、材料科學、信息科學和制造科學等學科的最新成果而逐漸形成

29、和發(fā)展起來的，具有明顯的多學科綜合交叉特性。多學科融合促進了其發(fā)展，同時空間光學制造技術的發(fā)展也將支撐航空宇航、空間光學、信息科學等學科的發(fā)展和進步。2）項目創(chuàng)新點提出可控損傷和定量化反演設計相融合的高穩(wěn)定輕量化鏡體制造方法空間光學元件輕量化發(fā)展經歷了從哈勃望遠鏡光學主鏡面密度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、強度和結構高穩(wěn)定性。針對這些挑戰(zhàn)，項目依據(jù)斷裂力學、納米力學、結構拓撲優(yōu)化和創(chuàng)新構型設計，研究超硬材料薄壁件可控損傷的制造條件，并將其作為輕量化創(chuàng)新構型設計的輸入條件，提高輕量化鏡體的設計生成能

30、力，建立功能結構材料光學元件保形和保性協(xié)調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元件制造方法為了滿足光學系統(tǒng)衍射極限成像條件，大口徑光學元件要求全頻段誤差一致收斂到納米精度，這對光學加工過程的誤差收斂能力提出了極大挑戰(zhàn)。項目依據(jù)光學散射理論和小波分析方法，解析光學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加工中，實現(xiàn)損傷和微觀形貌可控的復雜形狀高精度展成；基于斷裂力學、Sigmund濺射理論、Bingham非牛頓流體理論和信息學原理，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)光學制造的工藝路線，解決了低應力確定可控拋光的難題，實現(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元件誤差分離測量方法隨著空間光學元件口徑增大、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行有效分離是保證光學元件天地一致性測量的關鍵。項目基于結構力學和有限元分析理論，解析由重力、裝夾應力、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、礎上研究實現(xiàn)重力、應力卸載的裝夾方法，對測量環(huán)境進行有效控制，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、復雜面形、納米精度特征的現(xiàn)代空間光學元件制造理論和方法，支撐我國空間光學技術的發(fā)展，研究意義重大。項目針對制約我國空間光學技術發(fā)展的制造技術瓶頸，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，通過深入的基礎研究，創(chuàng)新工藝手段，將制造

33、領域的最新研究成果應用到空間光學制造中，突破傳統(tǒng)光學制造理念和加工精度的極限，發(fā)展新一代空間光學制造技術，為實現(xiàn)滿足衍射極限條件、符合天地一致性要求的空間光學元件加工奠定理論和工藝基礎。項目研究目標先進、內容具體、基礎性前瞻性強。研究團隊集中了我國長期承擔空間光學系統(tǒng)型號研制任務的主要光學單位和長期從事超精密加工基礎研究的高校，有光學領域的院士做指導，有杰出青年和長期從事相關技術研究的專家擔任課題負責人，形成了空間光學制造技術研究的國家隊。同時這些單位擁有和課題研究內容相關的多個國家重點實驗室、國防科技重點實驗室和教育部重點實驗室，為項目研究提供了國內最好的條件。前期在光學加工技術方面的研究與

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

35、全頻段誤差的表征與一致性收斂控制；課題6：復雜面形光學元件多場耦合條件下的誤差分離測量理論與方法。圖1 課題設置思路和相互關系課題1：SiC材料空間光學鏡體輕量化設計與高效加工新方法研究目標：針對功能結構一體化材料空間光學鏡體的輕量化要求，基于多參數(shù)優(yōu)化和拓撲優(yōu)化技術，考慮鏡體結構的可制造性，提出面向制造的空間光學輕量化鏡體創(chuàng)新構型反演設計理論和方法；針對鏡體的材料特性、結構特點以及現(xiàn)有輕量化工藝的局限，提出對燒結成型SiC鏡體進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構穩(wěn)定

36、性評價與控制方法，為空間光學鏡體的高剛度、高穩(wěn)定性輕量化提供先進設計理論及工藝技術。研究內容：1）面向制造的空間光學輕量化鏡體創(chuàng)新構型反演設計理論2）SiC材料的高效低損傷復合能場精密磨削加工機理3）復合能場作用下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構穩(wěn)定性評價與控制方法經費比例：16承擔單位：大連理工大學，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所課題負責人：康仁科學術骨干：趙福令，董志剛，周平，李志來課題2：復合能場作用下SiC材料超精密微磨機理與關鍵技術研究目標：針對大型空間光學反射鏡對加工形狀精度和表面/亞表層質量的極端要求以及SiC材料高硬度、高脆性、磨削

37、加工易產生表面/亞表層損傷、砂輪磨損嚴重影響加工精度等特點，研究SiC材料在力、熱、電等復合能場作用下超精密微磨的材料去除機理、表面微觀紋理與表面/亞表層損傷的形成機理，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制及其對加工精度、表面質量的影響規(guī)律，研究金剛石微粉砂輪微修整機制及在線實現(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。研究內容：1）復合能場作用下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制

38、及在線實現(xiàn)方法5）大口徑SiC鏡面超精密磨削工藝的協(xié)同優(yōu)化經費比例：12%承擔單位：哈爾濱工業(yè)大學，中國人民解放軍國防科學技術大學課題負責人：張飛虎學術骨干：甘陽，施平，張勇，石峰課題3：復雜光學面形超精密加工的展成控制研究目標：針對硬脆光學材料難去除、變曲率鏡面形復雜等特點，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、應力、系統(tǒng)運動耦合作用下兩體/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動系統(tǒng)幾何與動力學的集成優(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)劃與實現(xiàn)方法。

39、研究內容：1）高精度、高表面質量復雜曲面展成的幾何與物理表征2）復雜面形展成的多軸運動系統(tǒng)幾何與力學集成優(yōu)化理論3）復雜面形超精密磨削控力軌跡規(guī)劃與力位混合數(shù)控實現(xiàn)4）復雜面形高效精密研磨主動柔順控制理論與實現(xiàn)方法經費比例：13%承擔單位：上海交通大學，蘇州大學課題負責人：殷躍紅學術骨干：潘君驊，裴景玉，費燕瓊，言勇華課題4：空間光學鏡面的低應力納米精度高效拋光研究目標：針對輕量化空間光學元件低應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，揭示剪切力去除或濺射去除等低應力材料去除機理，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償?shù)恼`差收斂算法，對“邊緣效應”、“格子效應”等非連續(xù)局部效應誤差進行主動控制，在磁流變、離子束拋光等低應力拋光平臺上實現(xiàn)空間光學鏡面的低應力納米精度高效拋光。研究內容：1）空間光學鏡面低應力拋光機理和去除函數(shù)可控方法2）基于主動精度補償?shù)恼`差收斂理論3）抑制非連續(xù)局部效應的納米精度修形方法4）納米精度低應力高收斂率的成形拋光工藝經費比例：26%承擔單位：中國人民解放軍國防科學技術大學課題負責人：李圣怡學術骨干：戴一帆，彭小強，王建敏，鄭子文課題5：空間光學鏡面全頻段誤差的表征與一致性收斂控制研究目標：通過對空間光學系統(tǒng)成像進行仿真研究，揭示光學鏡面各空間頻段誤差

41、對成像質量的影響規(guī)律，確定各頻段允差；分別建立基于“平轉動”應力盤拋光技術、數(shù)控小磨頭成形技術、磁流變拋光技術、離子束拋光技術的加工工藝模型，揭示光學表面低頻、中頻、高頻誤差的形成與演化規(guī)律，建立其預測與評價方法；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，結合在研工程項目實現(xiàn)1m口徑以上空間光學反射鏡全頻段誤差的一致性收斂。研究內容：1）全頻段制造誤差對光學系統(tǒng)成像質量的影響規(guī)律2）光學表面低頻、中頻、高頻誤差的形成機理與評價方法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現(xiàn)方法經費比例

42、：19%承擔單位：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所課題負責人：張學軍學術骨干：鄭立功，張忠玉，張峰，薛棟林課題6：復雜面形光學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：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誤差，為高精度拋光過程提供可靠的指導，使空間光學鏡面達到天地一致的面形精度要求。研究內容：1）多場耦

43、合條件下空間光學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力裝夾實現(xiàn)3）復雜面形光學元件計算機輔助裝調的測量方法4）高精度復雜光學面形多測量方法交叉檢驗及標定方法經費比例：14%承擔單位：中國科學院上海技術物理研究所，中國人民解放軍國防科學技術大學課題負責人：鄭列華學術骨干：龔惠興，王敬，陳善勇，王鵬四、年度計劃研究內容預期目標第一年1）研究大口徑及超大口徑空間SiC反射鏡鏡體結構剛性數(shù)字化仿真分析方法，初步實現(xiàn)結構穩(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、電解復合能場作用下SiC 材料磨削方案設計；4）高精度、高表

44、面質量大口徑復雜曲面展成的幾何與物理表征；5）超大型輕薄光學鏡面條件下SiC材料的磁流變拋光材料去除分析研究；6）光學表面全頻段誤差的建模方法與產生機理分析。7）大口徑空間光學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反射鏡鏡體結構剛性的仿真分析方法，實現(xiàn)力學性能的有效評價；2）掌握影響大口徑SiC材料磨削精度和表面質量的基本因素及其規(guī)律。3）提出多能復合作用下的SiC材料超精密磨削方法，完成實驗方案設計論證；4）針對空間光學大口徑復雜曲面的銑磨成形，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鏡面條件下SiC材料磁流變拋光的材料去除效率、應力、時

45、間留駐等模型，為實驗研究提供依據(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）建立大口徑復雜面形測量系統(tǒng)模型，對誤差源進行定性定量分析；第二年1）研究以輕量化率和結構剛性等為約束的SiC反射鏡鏡體結構創(chuàng)新構型設計方法；2）研究復合能場在SiC 材料磨削中的作用機制，研究復合能場作用下材料去除規(guī)律及對結構和鏡面的損傷影響；3）研究多軸運動系統(tǒng)的動態(tài)特性，提出動態(tài)條件下多軸運動系統(tǒng)幾何及力學建模方法，建立大口徑及超大口徑復雜面形展成中剛度、壓力等非線性變化模型；4）SiC材料輕薄光學鏡面的離子束拋光機理和加工熱應力分析；復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性能的影響規(guī)律，建立關系模型；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力卸載方法。1）通過研究，在傳統(tǒng)減重設計的基礎上，掌握以空間大鏡使役條件為約束的創(chuàng)新構型設計方法，實現(xiàn)力學性能的優(yōu)化設計；2）通過超聲和電解等復合能場在SiC材料磨削中的實驗研究，初步掌握其作用規(guī)律，初步建立大口徑和超大口徑復合能場磨削的控制方法；3）掌握多軸運動系統(tǒng)大跨度運動條件下的動態(tài)特性的變化規(guī)律，初步建立大口徑復雜面形展成的優(yōu)化控制方法；4）掌握離子束拋光SiC材料的響應機制，獲得材料去除模型和熱學力學特性，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力卸載理論，初步建立滿足天地一致性測量要求的裝夾設計方法。第三年1）研究輕量化反射鏡鏡體結構加工損傷產生機制，分析損傷對結構穩(wěn)定性影響關系，研究面向制造的大口徑輕量化鏡體創(chuàng)新構型反演設計理論。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償特性；3）建立復雜面形展成的多軸運動系統(tǒng)幾何與力學集成優(yōu)化理論，研究復雜面形超精密磨削控力軌跡規(guī)劃與力位混合數(shù)控實現(xiàn)方法；4）研究低應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生規(guī)律，分析誤差抑制能力；6）研究復雜面形空間位姿形態(tài)對像差的影響規(guī)律，研