大口径轻量化SiC主镜是一种新型主镜, 之前没有成功的支撑案例作为参考。通过对各类大口径主镜的主动支撑技术的优劣进行分析, 确定利用液压并联力促动器的支撑方式对SiC轻量化主镜进行支撑, 并利用自由谐振模式定标方法研究了某4 m SiC主镜的校正力需求, 计算发现该主镜对力促动器的校正力分辨率要求为0.1 N。针对这一需求, 详细分析了影响机械式力促动器精度的主要因素, 并进行了相应的设计, 采用步进电机作为动力源, 通过大减速比减速器驱动滚珠丝杠输出微米级微位移, 并利用复合弹簧系统将位移转化为作用力, 最终设计并加工出一款高精度力促动器, 并对促动器进行了测试, 发现该促动器的输出力范围-400~400 N, 位移分辨率0.96 μm, 力分辨率0.05 N, 可以满足主动支撑对力促动器的需求。

根据薄镜面主动光学存在的实际问题, 提出了通过音圈电机对主镜镜面变形进行非接触面型校正的方法。讨论了音圈电机工作原理, 基于音圈电机设计了一种非接触、高线性、体积小且控制方便的力促动器, 并对其进行了仿真分析和实验验证。对常见类型力促动器结构进行对比, 根据应用特点和音圈电机原理设计了该力促动器的总体结构, 建立了物理模型与数学模型, 根据应用要求提出了参数指标。最后, 进行了实验验证。实验结果表明, 该音圈力促动器是一个非接触式高线性系统, 输出力可达±0.5 N, 在此范围内, 线性度小于0.09%。

设计了一套用于控制薄镜面主镜面形的力促动器, 并进行了实验测试。分析了常用的可以实现高精度、高稳定性的力促动器结构形式; 结合实际情况和目前薄镜面主动光学实验系统的要求, 设计了由步进电机驱动谐波减速器、精密丝杠传动, S型Loadcell反馈输出力变化的力促动器结构。最后, 通过开环和闭环实验对结构进行了测试。实验结果表明, 该力促动器行程为0～10 mm, 输出力为-100 ～100 N, 精度优于0.05 N, 满足大行程、高精度微量输出和高稳定性要求, 可以应用于主动光学支撑系统, 同时也适用于其他精密调整结构。

用于能动镜中的力驱动器采用直流电机作为驱动源,经减速器后利用滚珠丝杆传动加弹簧组件实现纳米级微位移,而采用丝杆副实现自锁。驱动器基于拉压力传感器实现闭环控制,高增益的PID控制器克服了机械摩擦的微动特性获得比较好的线性度。用4个力驱动器和3个刚性支撑组成了一个能动镜原型样机,光学干涉仪测量结果表明,力驱动器平均位移分辨力约为10 nm、最大可变形量达±8 μm、最大驱动力达±700 N。实验结果证明了力驱动器应用于能动镜驱动器的可行性,为能动镜的实用化提供了实验依据。

用口径400 mm、厚12 mm 的薄反射镜作为实验镜进行了主动光学实验。支撑系统由背部12 个主动支撑点和3 个固定支撑点组成，主动支撑点采用由压电陶瓷促动器和压力传感器组成的力促动器，用于控制实验镜面形，固定支撑点用于控制实验镜的定位。通过Shack-Harmann 波前传感器测量镜面面形并拟合出Zernike 像差，用阻尼最小二乘法计算出校正力，通过PID 算法闭环控制各促动器施加力的过程。通过主动校正，将初始支撑状态下的1.16λ (λ=632.8 nm) RMS 面形精度校正到0.07λ RMS，优于镜面抛光后的0.1λ RMS

介绍了采用薄镜面主动支撑技术来加工大口径天文薄镜面的试验情况。试验镜为一弯月型球面反射镜,直径为1035 mm,镜面曲率半径为3220 mm,径厚比约为40∶1。在磨制过程中,有55个分离支撑点支撑在镜子背面。支撑点的位置与支撑力的大小通过有限元分析计算确定,其中3个为固定支撑点,另外52个为主动支撑点。每个支撑点位置设置了力促动器,调节力促动器加力的大小,可以主动改正镜面的低频误差。加工后最后达到的面形精度:λ=632.8 nm,面形误差(RMS)小于等于λ/21.5,局部高频误差(RMS)小于等于λ/23。试验证明所采用的方法适合于大口径天文薄镜面的加工。