空间薄膜反射镜由于具有面密度低,易于折叠展开且成本低等优点很好地满足了空间反射镜的超轻量、超大口径的要求,因此在空间科学研究领域倍受关注。介绍了空间薄膜反射镜的发展,包括薄膜反射镜的理论基础,充气式薄膜反射镜和静电拉伸薄膜反射镜及其他类型的反射镜的代表成果。而后对空间薄膜反射镜的技术难点进行了分析;重点讨论了薄膜反射镜用聚酰亚胺薄膜的生产情况以及薄膜反射镜的面形控制、面形检测和反射镜支撑结构的设计。最后总结了反射镜近期的研制情况、存在的问题和应用发展趋势。认为空间薄膜反射镜作为国内外空间科学的热点,在未来的几十年内将在航天领域的太空望远镜、空间侦察相机、人造太阳、微波天线等方面得到广泛应用。

考虑薄膜反射镜具有质量轻、柔韧性好、可折叠等优点,研究了由静电拉伸法制备薄膜反射镜的新技术。介绍了薄膜反射镜的静电成形机理,计算了单电极模式下薄膜所受力场,设计了单电极式薄膜反射镜的控制实验。给出了控制成型所需的主要参数,设计了薄膜反射镜的夹持结构和控制电路,并利用刀口仪测量了形成的反射面的焦距。实验结果显示,未通电时薄膜反射镜面形的PV值达到11.14λ,RMS值为1.86λ,在10 000 V的高压下可以形成焦距约为2.1 m的反射镜面。通过Zernike拟合验证了数据的可靠性,结果表明,通过改善夹持结构精度和选取性能优良的薄膜材料,反射镜面形精度可进一步提高。

针对空间相机在使用时受空间环境中重力、温度及压力等因素的影响,引起各光学镜面位置相对变化,从而导致像平面与焦平面不重合的问题,在分析空间相机的3种调焦方式及调焦机构设计基本原则的基础上,针对某空间相机的要求设计了一种直线调焦机构。利用滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动,并结合直线导轨约束运动形式,采用绝对式编码器检测位移。该机构具有低摩擦、传动简单等优点,可有效地减少过多的传动环节所带来的传动误差。采取开环控制和闭环控制两种方式检验了该机构的精度,并讨论了误差产生的原因。实验数据的统计分析及残差分析表明,直线调焦机构的开环调焦精度为0.002 5 mm,闭环调焦的精度可达到0.001 5 mm,满足0.01 mm使用要求。

在分析聚酰亚胺薄膜反射镜面形成型理论的基础上,结合光学系统对反射镜面形的要求,用有限元法求解了薄膜反射镜在一定预应力存在的条件下,受均布载荷作用产生变形的数值解,通过数据拟和给出了反射镜面形,并计算了理论面形与计算面形的误差;以反射镜镜面不同区域施加的载荷为设计变量,薄膜的屈服强度为状态变量,理想面形与计算面形的误差为目标函数,用ANSYS软件对薄膜反射镜面形进行了优化;最后以Zernike多项式为接口对反射镜面形进行了波前拟合,给出了优化前后反射镜的像差,证明了通过对薄膜反射镜施加适当的力场可以得到面形精度很好的抛物线面形.结果表明:改变力场可以控制薄膜反射镜面形,并得到需要的面形,为实际设计、构建聚酰亚胺薄膜反射镜提供了理论基础、设计依据和方法.