针对现有薄膜反射镜成形控制方法存在求解复杂，工程实用性差等问题，提出了基于反演求解的半解析成形控制方法。首先，基于Karman方程和静电场理论推导了所要拉伸的抛物面面形与施加压强分布的关系及实验所需的离散电极环电压值; 其次，利用有限元软件建模和分析，验证所推导的压强分布; 最后，在口径为300 mm的三环电极的静电拉伸反射镜实验平台上进行了验证实验。实验显示，拉伸面形最大变形量与理论值基本吻合，面形误差与传统均匀压强下的相比有所减少，最好的实验结果得到的PV值和RMS值较均匀压强下的值分别减少了9.76%和15.38%。仿真及实验结果表明：所描述的方法可以控制面形并提高面形精度，与传统的成形控制方法相比较具有简单实用等优点。

利用研制的Φ300 mm口径多电极薄膜反射镜原理样机，开展了光学检测实验工作。利用高斯光学原理对薄膜反射镜的基本光学参数进行了检测，获得了随电压变化的薄膜反射镜曲率半径和最大变形值曲线，趋势与理论计算结果一致。对薄膜反射镜的面形特性和面形检测方法进行了分析，采用激光干涉仪测试了无电压时中心区域的平面面形，RMS值为1.03λ (λ=632.8nm)。为检验薄膜反射镜的曲面面形，搭建了Hartmann光栏法测试光路并结合Zernike多项式拟合处理方法，对使用非均布电压优化前后的曲面的低频面形进行了测试，面形误差RMS值从24.1μm减小为14.7μm，证明相对于单电极方案，多电极非均压对静电拉伸薄膜反射镜的面形有明显的优化作用。本文使用的检测方法和结论可为相关领域的研究提供参考。

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。

针对望远镜发射系统承载空间与承载质量的限制与大口径、高分辨率反射镜使用需求之间的矛盾,开展了轻质柔性薄膜反射镜地基试验研究,实现了静电拉伸式薄膜反射镜的精确成形控制。针对口径为300 mm的同心环分布式电极静电拉伸聚酰亚胺镀铝薄膜反射镜,基于泊松方程的薄膜小变形近似求解,并通过确定每环电极对面形的影响函数来确定分布式电极对反射镜薄膜成形的控制矩阵,进而利用最小二乘法求得了分布式电极对面形精确控制所需的分布电压。用ANSYS有限元分析法对比结果,分析相关误差并总结控制方法。结果显示,在薄膜中心变形量超过2.5 mm以后,基于泊松方程的理论求解和ANSYS有限元分析结果相差很大,计算面形与理想面形偏差也很大;认为只有综合运用数值计算和有限元分析,通过确定分布式电极对面形的控制矩阵,运用最小二乘法求解分布式电压,才能准确地实现薄膜小变形面形的预知和控制。

为了控制薄膜反射镜面形,建立了静电拉伸薄膜反射镜物理模型。根据静电力与薄膜变形载荷作用力之间的平衡关系和静电拉伸薄膜反射镜成形的复杂过程,介绍了薄膜反射镜静电成形的控制原理;以三等分环状电极为例,分析了静电场中空间电势分布特性,即从拉普拉斯方程推导出静态场势函数的表达式;然后,利用差分与电势方程结合的方法,对单电极电场力和三等分环状电极电场力进行了数值求解;最后,将计算面形与理想抛物面进行了比较,结果显示,单电极情况下得到的薄膜反射镜面形不是理想抛物面,若采用多电极控制可获得更高的控制精度。模拟结果和实验结果表明:多电极控制情况比单电极情况下受力更接近均布力分布,口径180 mm的薄膜反射镜在相同口径单电极控制下,施加10 000 V电压可得到反射镜最大变形为0.001 094 8 mm。系统长时间工作安全稳定,薄膜变形的对称性较好。