薄膜反射镜的单电极控制静电成形

　　1　引　言

　　薄膜反射镜是近些年应空间光学系统分辨率越来越高的要求而提出的一种新型反射镜,通过在具有高精度光学表面的有机薄膜基底材料上镀一层金属反射介质来达到反射光线的目的。相对传统反射镜基底材料来说这种反射镜具有极小的面密度,解决了反射镜口径与质量相互制约的问题,同时它具有优良的可折叠性能,能够满足运载设备对光学系统有效载荷使用空间的要求,因而成为各国航天工作者的研究热点。为了研制薄膜反射镜,美国科学研究学会(SRS)专门研制了满足光学要求的CP-N型号的聚酰亚胺薄膜,CP-1薄膜的面密度大约为18 g/m2,如果利用超轻可折叠展开机构支撑(其面密度大约为1 ~2 kg/),则用此薄膜制成的孔径10 m反射镜主镜的面密度大约为2~3 kg/,与用传统材料制成的反射镜相比(如哈勃望远镜,主要由精密桁架结构和厚的玻璃主镜组成,孔径2.4 m,总质量12 000 kg,面密度2 500 kg/),其优势非常明显[1-2]。

　　薄膜反射镜的面形可通过在其表面施加一定载荷来实现,静电拉伸薄膜反射镜就是利用静电场和结构场相互耦合作用来产生曲面面形并对面形进行控制的。目前很多科研单位正在对此进行研究,如美国亚利桑那大学[2]、NASA[3]、Hon-eywell[4]实验室等。但由于薄膜结构本身的特点,有别于传统反射镜系统设计和生产技术,因此薄膜反射镜仍处于理论和实验研究阶段。

　　本文在对静电拉伸薄膜反射镜控制成形机理进行研究的基础上,针对单电极静电成型试验展开详细设计,并通过实验验证了静电薄膜成型控制原理的正确性。

　　2　静电拉伸薄膜反射镜控制机理

　　静电拉伸薄膜反射镜面形成形控制主要是通过控制电极间电势的大小及分布来实现的。所谓的静电拉伸是指在静电力作用下薄膜反射镜的面形保持,在反射镜的成形过程中是动态的,是依靠电流做功来完成的。对于整个薄膜反射镜的工作状态而言,静电力的作用是保持薄膜的面形,空间静电势主要对薄膜表面与电极表面的电荷以及电荷分布形成束缚作用,保证静电力的持续稳定。成形控制过程包括两个方面的内容:(1)反射镜面形的初始成形,这一过程从平面面形开始,最终达到薄膜面形的静态稳定。给平面薄膜反射镜施加电势场,使薄膜产生变形,当电势的大小及分布达到一定条件时,薄膜从初始的平面变形成为一定的曲面,保持作用电势,薄膜面形将最终保持某一曲面模型;(2)对薄膜面形调整,从已具有一定曲面面形的薄膜开始,改变电极上电势的大小与分布,使薄膜曲面再做一定变形,最后通过调节电势及其外部条件使面形达到所要求的结果,最终仍需要达到静态平衡[5-6]。