针对航空复合材料挖补修复工艺对损伤区高效高质量去除的需求，研究了碳纤维复合材料纳秒脉冲激光剥蚀机理、工艺优化和缺陷控制方法，基于各向异性传热原理研究了激光扫描角度对材料去除率的影响规律，探索了激光扫描速度和填充间距对非匀质材料的热-机械剥蚀的影响机制。结果表明：碳纤维复合材料显著的各向异性传热使得去除深度随激光扫描角度的增大而减小，激光扫描角度为0°时去除深度为220 μm，激光扫描角度为90°时去除深度为150 μm；由于热-机械剥蚀的混合作用，两个方向上的光斑搭接率存在临界值，在该临界值处材料去除效率出现峰值。进行了18层的阶梯形去除，精度控制在±20 μm。通过实验测试与数据分析，优化了碳纤维复合材料逐层精细剥蚀扫描策略与工艺方案，为碳纤维激光精细制造提供了参考。

为适应光学红外望远镜口径不断增大的需求，降低驱动功率，应用碳纤维复合材料对望远镜主镜室桁架进行轻量化设计。对望远镜主镜室碳纤维复合材料桁架单元铺层进行优化设计，利用进化算法选取最优铺层方案。对望远镜主镜室桁架单元建模，并利用敏感性分析及进化算法选取最佳铺层方案，设计另外3种典型铺层方案进行对比，对桁架杆单元进行静力学分析和加载实验，对桁架杆组装成的六杆三棱锥单元进行模态分析和振动测试。有限元分析和实验结果对比表明：最优铺层方案为［±45°/90°/0°/90°/0°］s。有限元分析得到该方案桁架杆单元的等效轴向刚度为8.306×10⁶ N/m，实验测得为7.463×10⁶ N/m；有限元分析得到的等效径向刚度为3 968.3 N/m，实验测得为3 344.5 N/m。该方案六杆三棱锥单元模态分析得到一阶频率为93.699 Hz，振动测试测得一阶频率为84.683 Hz。复合材料桁架杆质量比同尺寸的钢结构杆减轻了77.6%，静力学性能与动力学性能均优于同质量钢杆。最佳铺层方案的有限元分析结果和实验结果表明其静力学性能及动力学性能均优于其他方案。

结合激光诱导击穿光谱(LIBS)技术,设计激光清洗在线监测系统以实时监测激光清洗的质量。实验所用的激光器为光纤激光器,其可以在多维空间中加工应用。首先确定激光清洗速度,并研究LIBS随激光单脉冲能量密度的变化规律,用来表征碳纤维复合材料清洗的效果。然后在数据分析的处理上,采用均值平滑去除背景的方法处理包络状的光谱连续背景;采用DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)算法实现光谱噪声和有效数据的分离;采用皮尔逊系数分析的方法确定激光清洗的最佳烧蚀次数,为激光清洗实现过程自动优化控制提供判定依据。最后采用扫描电子显微镜分析碳纤维表面形貌特征,证实LIBS技术在线监测激光清洗效果的有效性。

从吉林一号卫星某空间相机的实际应用角度出发,提出采用基于碳纤维复合材料的高精密薄壁筒和桁架杆作为主、次反射镜间的支撑结构,并完成相关设计和工程分析。深入开展相关振动、静力和温度稳定性试验,分析和试验结果表明,所提的支撑结构具有较好的结构稳定性和抗视轴抖动性能,碳纤维桁架的质量仅为2.11 kg,当基频达到186 Hz时,在重力和4 ℃温升条件下的稳定性优于1″。对在轨获取的全色遥感影像进行动态传函(MTF)分析,结果表明空间相机在轨动态MTF值为0.08,进一步证明CFRP桁架结构支撑技术的可靠性和有效性。

将一等效薄片模型嵌入到时域有限差分算法（FDTD）中, 以快速而有效地解决复合材料薄片在电磁计算中的多尺度问题。在该嵌入式薄片模型中, 薄片不需要被剖分网格, 而是被嵌入到相邻的网格间, 从而可以使用相对较大的网格剖分周围物体, 进而可节省大量的计算资源。在这一模型中, 薄片被等效为一段传输线, 并用其频域的导纳矩阵代替。使用数字滤波器理论以及逆Z变换可将频域的导纳矩阵转换到时域, 并将其嵌入到时域有限差分算法中。该嵌入式薄片模型被用来计算一单层碳纤维复合材料薄片的反射以及透射性能, 并与其解析解进行对比, 从而验证该模型的准确性、收敛性以及高效性。该模型被用来计算三种具有不同电参数的单层碳纤维复合材料薄片的屏蔽性能, 以研究各电参数对其屏蔽性能的影响。

由于空间相机桁架结构常用的碳纤维复合材料热导率较低, 从而导致结构内部易形成较大温度梯度。本文提出通过在碳纤维复合材料表面附着铜网和粘贴铝膜, 以实现某空间相机桁架结构的导热增强设计。首先, 建立了碳纤维复合材料热导率模型。然后, 针对碳纤维复合材料平板表面附着铜网/粘贴铝膜的结构特点, 建立了平板的传热模型, 并对未经处理的碳纤维复合材料平板以及在其表面分别粘贴0.05 mm和0.5 mm铝膜、附着等效直径为0.08 mm铜网4种不同状态进行了热分析。接着, 通过试验测试获得了不同状态平板结构的等效热导率。试验结果表明, 表面附着铜网/粘贴铝膜可以使面内等效热导率得到不同程度的改善。其中, 在碳纤维复合材料平板表面粘贴0.5 mm铝膜效果最好, 其可使结构的等效热导率提升至41.3 W/(m·K)。最后, 根据试验所得结构等效热导率, 对某空间相机碳纤维桁架进行了热设计。桁架结构热分析结果表明, 单根桁架杆的轴向温差已由6.8 ℃减小为0.8 ℃, 桁架结构温度均匀性得到显著改善。

设计了一个应用于轻小型空间相机的碳纤维框架。根据光学系统中各光学元件的空间分布特点, 通过比较选择结构性能和工艺性能优异的M40J碳纤维复合材料完成了相机框架的结构设计, 并使用TC4预埋镶嵌的方法解决了碳纤维框架接口精度低的问题。对碳纤维框架进行区域划分, 采用集成仿真与优化设计方法、遗传算法全局寻优与单纯型下山法局部寻优的组合优化策略对碳纤维框架各区域结构参数进行优化设计。经过优化, 碳纤维框架包含TC4预埋件的总质量为15.6 kg, 仅占相机整机质量的18.4%, 相机的一阶频率达104.8 Hz。最后通过力学环境试验得到相机整机一阶频率为102 Hz, 与仿真结果相符, 进一步验证了设计的合理性和正确性。文中提出的碳纤维框架方案对轻小型空间相机设计有一定的借鉴意义。文中所采用的优化方法可广泛应用于空间相机光机结构设计中, 能大幅度提高设计效率, 缩短研制周期。

采用碳纤维复合材料（CFRP）制造反射镜是空间光学系统轻量化的发展趋势。详细地阐述了国外科研机构在碳纤维复合材料反射镜方面开展的全面基础研究, 特别是美国复合材料反射镜研究应用公司（CMA）、伦敦大学学院UCL在这方面的研究情况。阐明了以PLANCK、RICH、NPOI和ULTRA等项目的高精度反射镜为典型代表的工程应用情况, 介绍了碳纤维复合材料反射镜的最新研究情况, 包括碳纳米管/环氧树脂制造反射镜和镜面非接触方法加工。

利用碳纤维复合材料具有比强度及比模量高等优点, 针对中心承力筒式卫星主承力结构设计了一种主承力架和若干独立模块层单元组合的结构方案。通过复合材料层压板理论和截面设计理论, 对主承力架进行了结构设计。该主承力架由碳纤维复合材料铺层成型, 消除了层间耦合刚度; 采用薄蒙皮+“几”字型筋+T型环筋的桁架结构和合理的工艺设计提高了主承力架的承载能力。对所设计的主承力架结构进行了数值仿真分析, 结果表明主承力架强度和刚度均满足设计要求。最后, 对主承力架进行了实验验证, 结果显示, 实验结果与仿真计算结果基本一致。与铝合金材料结构设计相比, 采用碳纤维复合材料的主承力架结构的重量减少了30%以上, 实现了飞行器主承力结构的轻量化。

针对离轴多反射式空间相机设计了一种胶接桁架支撑结构。采用T700碳纤维复合材料制造桁架杆, 钛合金材料制造杆接头, J133环氧树脂胶作为黏合剂, 桁架杆两端的钛合金接头作为相机各组件的接口。给出了装调和胶接的辅助设备及相应的方法和步骤: 即利用工装进行预装调, 确定杆接头位置; 然后通过抹胶完成正式装调, 利用定位销钉实现杆接头复位; 最后在室温下固化5~7天, 拆除工装和销钉后桁架装调完毕。有限元分析和力学振动试验表明, 固化完成的桁架一阶谐振频率优于90 Hz, 所支撑镜头的一阶谐振频率优于70 Hz。对力学试验前后桁架的各反射镜接口平面度进行了测量, 结果显示其最大相对偏差为5.3%, 平面度均优于0.15 mm。得到的结果表明该桁架的刚度及尺寸稳定性均满足设计要求。