空间光学先进制造基础理论及关键技术研究

项目名称：空间光学先进制造基础理论及关键技术研究首席科学家：李圣怡中国人民解放军国防科学技术大学起止年限：2011.11-2016.8依托部门：国防科技大学一、关键科学问题及研究内容以新一代大口径、轻量化、复杂面形、纳米精度为特点的空间光学元件制造技术为研究对象，围绕大镜轻量化、高精度面形加工、复杂面形检测与评价等关键环节，揭示空间光学制造全过程的科学规律，建立和发展以超精、高效、可控自动化为特色的光学制造新方法和核心技术体系。开展以下关键科学问题的研究：科学问题一：功能结构材料空间光学镜体轻量化定量反演设计与复合能场作用的结构创成机制大镜轻量化带来了空间光学元件由光学性能约束向光学力学性能复合约束的革命性变化。大镜镜坯制造经历镜体设计、减重加工和表面成形等关键工序，将设计、加工作为一个整体，研究可制造性条件下的反演设计和镜体的高稳定制造技术。针对新材料和极度轻量化要求，分析镜体刚度和局部刚度的受控条件，研究基于力学性能要求的拓扑优化设计方法，分析制造过程应力应变对结构稳定性的影响规律，提出可制造性条件约束下的创新构型反演设计方法；研究复合能场作用下功能结构一体化材料的去除机理，探索轻量化结构生成的应力应变调控机制及其加工方法；基于压痕断裂力学理论，研究超硬SiC材料微磨机理，分析大镜微磨条件下砂轮磨损的钝化规律，提出砂轮在线修锐方法和恒压控时磨削工艺，形成光学表面生成的优化工艺方法；实现轻量化和结构刚度、整体质量和局部刚度、结构形状和可制造性、能场复合和损伤调控等条件下的有效协同制造。通过多学科交叉研究，系统形成轻量化大镜的空间光学可制造性理论。科学问题二：衍射极限条件下纳米精度复杂光学面形生成机理及全频段误差表征与控制108量级的超大尺度精度比突破了传统制造工艺精度等级的极限，为了提高成像质量，实现光学性能约束下的制造，传统机械制造面形、波纹度、粗糙度的公差理论已不能满足空间光学制造全频段误差的表征与控制要求。因此需要将复杂面形的高精度展成、纳米精度表面生成和全频段误差的表征与控制作为一个整体，系统研究变曲率约束下复杂光学表面展成的几何与物理表征，揭示大型超精密光学磨床少轴高刚性流形结构的反演规律；基于Harvey-Shack散射理论和Goodman统计光学理论，提出中高频误差的小波分析方法，解析全频段误差和光学性能之间的映射关系，提出科学表征和一致收敛的控制方法；研究磁流变、离子束等低应力抛光的材料去除机理，建立基于Sigmund溅射理论、Bingham非牛顿流体理论的加工过程力学分析方法，研究轻量化镜体在局部刚度差异约束下的材料去除可控性规律；分析不同形状去除函数对各频段误差的修形控制能力，建立大相对口径和离轴非球面的非线性误差投影畸变模型，提出平动盘、磁流变、离子束抛光等多工序优化组合的抛光方法，实现空间光学元件宏微跨尺度误差的一致性收敛；系统建立超大尺度精度比空间大镜的纳米精度面形生成理论。科学问题三：空间光学元件多场耦合作用下误差分离测量原理为了保持地面测量精度和空天使用精度的高度一致，满足天地一致性条件，1m以上口径的大镜需将非制造变形控制在2～3nm范围内，测量和使用条件分离的传统检测方法已不能满足空间大镜天地一致性的测量要求。需要研究天地环境差异带来的重力、温度、大气等环境变化对测量结果的耦合作用规律，基于Couder多点支撑理论和多场耦合下复杂边界条件的有限元仿真模型，探讨轻量化大镜的非制造变形受控条件，研究重力和应力有效卸载的装夹设计方法；基于复杂面形C-空间理论和光学系统的节点像差理论，分析复杂面形姿态变化对测量精度的影响规律，提出计算机辅助的优化调控方法，实现对离轴、离焦和光轴位置的精确调控；分析测量系统的误差影响因素，提出环境、光路、补偿器精度的受控条件，建立多方法和多姿态互检的统计检验与推断模型，对补偿光路进行有效标校，实现空间轻量化大镜非制造变形受控的误差分离测量。主要研究内容包括：围绕科学问题一：功能结构材料空间光学镜体轻量化定量反演设计与复合能场作用的结构创成机制，开展以下研究：1）为了保证反射镜具有足够的刚度和稳定性，同时最大程度地减小镜体重量，必须进行功能结构一体化材料空间光学镜体的轻量化设计和加工研究。分析镜面和安装面变形的影响因素及其规律，建立不同支撑方式、重力与热环境等多工况条件下镜体变形的数学模型，基于多参数优化和拓扑优化技术，建立可制造性条件约束的镜体轻量化结构创新构型反演设计的新方法；开发针对烧结成型SiC镜体进行超声等复合能量磨削的轻量化加工新工艺，分析SiC材料磨削过程中工具与工件之间的作用规律，揭示材料微观变形、去除机理以及亚表层损伤的微观演化机制，研究SiC材料高效低损伤加工工艺；以优化设计的SiC镜体轻量化结构参数为依据，进行数控磨削加工试验，分析复合能场磨削复杂薄壁结构时加工精度、加工效率和结构变形的影响规律，确定不同形状、尺寸镜体轻量化结构的最优加工路径和工艺参数；分析不同力、热环境下轻量化加工后的SiC镜面和安装面形状精度、尺寸精度随时间的变化规律，揭示SiC镜体轻量化加工结构稳定性的影响规律，提出结构稳定性的评价与控制方法。2）为了缩短大镜加工周期、提高加工质量，必须提高复杂面形的磨削精度，控制加工损伤。针对大口径空间光学反射镜对加工精度和表面完整性的极高要求以及SiC材料高硬度、高脆性、磨削加工易产生亚表层损伤、砂轮磨损严重影响加工精度等特点，研究SiC材料在力、热、电等复合能场作用下超精密微磨的材料去除机理、表面微观纹理与亚表层损伤的形成机制，建立超精密磨削亚表层损伤的检测和评价方法；基于压痕断裂力学理论，揭示大型SiC镜面超精密磨削时砂轮的磨损钝化机制及其对加工精度和表面质量的影响规律，研究金刚石微粉砂轮微修整机制及在线实现方法，生成磨削损伤可控的加工条件；提出大口径SiC镜面在不同磨削阶段的协同优化工艺策略及损伤程度、加工精度的预测和控制方法，建立恒压控时的砂轮磨损补偿新方法，进行优化条件下的超精密微磨实验，形成大口径、高精度、低损伤SiC镜面超精密磨削的新工艺理论和技术。围绕科学问题二：衍射极限条件下纳米精度复杂光学面形生成机理及全频段误差表征与控制，开展以下研究：1）复杂光学面形加工与材料去除工艺、机床运动学动力学控制直接相关，光学加工过程由经验主导往确定可控的方向转变，迫切需要研究复杂面形加工工艺系统特性的可控条件，实现加工过程控位、控力、控时，确保工艺条件的稳定可控。针对光学材料难去除、变曲率镜面形状复杂、磨削工艺影响因素众多、多轴联动系统刚度变化和几何误差耦合、高面形精度和低损伤混合控制要求极高、现有研磨工艺误差收敛速度慢等特点，研究基于诱导曲面的复杂面形展成数学原理与非线性热力学的物理表征；建立惯量、刚度时变、参数不确定条件下的多轴超精密磨床动力学模型，揭示刚度约束下限制磨削力的轨迹规划方法和低损伤表面生成原理；探索基于李群李代数和微分流形的力位混合标架，建立几何量、物理量双重反馈的力位混合数控系统；研究表面质量约束下压力、速度、驻留时间自适应高效去除的研磨控制规律，探索高效研磨主动柔顺控制理论与实现方法。2）抛光修形是空间大镜纳米精度生成的关键工艺，依靠刚性抛光盘施加正压力的传统抛光方式，材料去除的可控性差，难以满足轻量化大镜纳米精度高效加工的要求。针对空间大口径轻薄异形镜加工中存在的“格子效应”、“边缘效应”等非连续局部效应和非线性曲率畸变误差等制造技术挑战，采用磁流变和离子束抛光新方法，基于Sigmund溅射理论、Bingham非牛顿流体理论等加工过程力学分析方法，研究以剪切力去除或能量溅射去除等非传统抛光的材料去除机理，建立可控参数下的去除函数模型，掌握纳米量级材料稳定去除的可控性规律，以实现空间光学镜面高效纳米精度成形；研究离轴非球面等复杂光学曲面加工中非线性畸变误差的产生原理，提出去除函数畸变补偿和投影畸变补偿方法，建立基于主动非线性补偿光学镜面确定性抛光误差的收敛理论；研究轻量化结构光学反射镜加工中非连续局部效应误差的产生机理，提出基于低应力抛光工艺的主动抑制方法；研究适应大口径光学元件加工的磁流变、离子束抛光工具和工艺系统设计理论与方法，建立低应力抛光工艺平台；研究工艺参数稳定控制方法和优化理论，基于轻量化大镜磁流变和离子束低应力抛光的工艺实验，形成纳米精度低应力高收敛率的成形抛光工艺。3）不同频段误差形成的点扩散函数不同，会对成像清晰度、锐度和照度等光学性能带来不同影响，因此对全频段误差的幅值、频率、分布等提出明确控制目标，实现其一致收敛是高分辨率成像和高聚能光学元件的必然要求。基于Harvey-Shack散射理论和Goodman统计光学理论，提出中高频误差的小波分析方法，通过光学系统成像仿真研究，揭示光学表面低频、中频、高频误差对光学系统成像质量的影响机理，确定各频段允差；通过研究光学加工各工艺过程中的材料去除机理，揭示各频段误差的形成规律，建立预测与评价方法；开展形状可控的大口径应力盘抛光工艺研究，开发基于“平转动”应力抛光盘光顺技术；建立新的组合抛光工艺路线，按照各种工艺方法的去除机理建立数学模型，获得全频段误差一致收敛、高效稳定的优化工艺组合并进行工艺实验。围绕科学问题三：空间光学元件多场耦合作用下误差分离测量原理，开展以下研究：空间光学大镜对重力、应力和环境作用十分敏感，容易形成大镜面形的非制造变形，为保持天地一致性，实现对加工质量的有效评价，必须开展复杂面形光学元件多场耦合条件下的误差分离测量原理与方法研究。分析多场耦合作用对面形误差的影响规律，提出测量状态非制造变形的受控条件，建立重力和应力有效卸载的装夹设计方法；研究复杂面形姿态变化对测量精度的影响规律，提出计算机辅助的优化调控方法，实现对离轴、离焦和光轴位置的精确调控；分析测量系统误差的影响因素，提出环境、光路、补偿器精度的受控条件，建立多方法和多姿态的互检方法，对补偿光路进行有效标校，实现空间轻量化大镜非制造变形受控的误差分离测量，通过实验研究，形成系统的误差分离测量方法。二、预期目标3.1本项目的总体目标本项目将针对国家对SiC轻量化空间大型光学元件制造技术的重大需求，特别是镜面直径大于等于2米的超大口径反射镜为研究主要对象，深入研究大口径反射镜制造的关键基础科学问题。围绕功能结构材料空间光学镜体轻量化定量反演设计与复合能场作用的结构创成机制、衍射极限条件下纳米精度复杂光学面形生成机理及全频段误差表征与控制、空间光学元件多场耦合作用下误差分离测量原理等关键科学问题进行研究，以空间大镜制造全工艺流程的镜体轻量化制造、镜面纳米精度抛光和满足天地一致性的大镜测量等关键点为突破口，创新可控光学制造理论，采用复合能场超精密磨削、磁流变和离子束抛光、平动应力盘光顺等新工艺，提升以轻量化、大口径、复杂面形、纳米精度为特征的空间光学元件制造水平；重点揭示极限工况条件下光学加工和检测过程的可控性规律，建立面向新一代光学制造的理论基础，实现从“单一光学性能约束经验主导的光学制造”向“光学力学性能复合约束确定可控的现代空间光学制造”跃升，推动科学技术的进步和相关产业的发展，培养一批从事该领域前沿科学研究、具有创新思想的高科技人才。3.2五年预期目标在理论研究方面解决2m超大口径轻量化SiC空间光学元件高精度制造中的科学问题，建立可控光学制造的新原理和新方法。1）揭示复合能场作用下SiC材料镜体结构的创成机理，阐明镜体可控损伤高效加工的可制造性条件，研究设计、制造过程中动态交互的轻量化创新构型反演设计方法，实现集设计、制造于一体的高稳定性轻量化空间光学镜体的高效可控制造。2）揭示光学表面全频段误差对光学性能影响的定量映射关系，提出光学系统在衍射极限条件下完善成像的制造约束条件，研究低应力抛光过程的材料去除机理，实现对制造误差幅值、频率及其分布形态的有效控制。3）分析检测环节的误差影响因素，揭示多场作用下轻量化大镜的耦合变形规律，提出重力、应力和环境温度等解耦条件，研究多姿态、多方法互检的统计检验与推断模型，对补偿光路进行有效标校，实现空间轻量化大镜非制造