主动成形准各向同性CFRP复合材料反射镜的铺层设计

　　0 引 言

　　下一代空间望远镜的目标是建成主反射镜口径在 10 m 以上、面密度在 5 kg/m2以下的光学系统。 传统的光学材料很难达到如此低的面密度要求。 碳纤维增强聚合物 (carbon fiber reinforced polymer，CFRP)材料是 20 世纪 60 年代中期出现的一种新型材料，以其密度小、比模量高，抗疲劳性、抗震、抗高温性能好、热稳定性好，尤其是成型工艺佳、材料性能可以设计等优点在空间结构上有广泛应用[1-6]， 作为空间超轻镜面材料，CFPR 逐渐被应用到红外、 近红外和可见光波段。

　　1998 年 ， 美国复合光学公司 (COI) 为 NASA 设计 生 产 了 红 外 和 亚 毫 米 波 段 的口径为 2 m 的全CFRP 材料反射镜，面密度为 10.6 kg/m2[7];2006 年，美国的复合反射镜应用公司(Composite Mirror ApplicationsInc, CMA)研制了408 mm 的抛物面 CFRP 镜 ， 表面粗糙度 0.6～1.5nm，完成面形 RMS42nm[8]。 2008 年 ，英国伦敦皇家学院[9]、美国海军研究实验室[10]报道了他们在 CFRP 薄镜应用于可见光波段的最近进展。 其中， 美国海军研究实验室致力于将 CFRP 薄镜用于地基望远镜系统，已经完成 0.4 m 的 CFRP 薄镜的实验论证，正在研制 1.4 m 的薄镜。 英国伦敦皇家学院将 CFRP 薄镜用于大型强子对撞机里一个探测系统的球面镜，CMA 公司为该项目生产的口径为 835×640 mm 的球面反射镜 ， 曲率半径为 2 700 mm ， 面密度约为 5 kg/m2， 在 200～600 nm 波段有 90% 的高反射率。 2010 年，美国亚利桑那大学[11]通过主动成形技术， 将 RMS 92 nm 的 CFRP 反射镜的面形精度提高到 RMS 43 nm。 从国内来看，复合材料镜面的研究还停留在 CFRP 镜体的试制阶段， 现有的技术在外形尺寸、 粗糙度方面只能满足厘米波段以上的雷达天线的要求，还不能满足光学镜面的加工要求。 北京空间机电研究所的房海军等人用碳/环氧复合材料研 制 了 C 波 段 天 线 的 反 射 面 ， 面 形 精 度 为 RMS0.16 mm[12]。

　　CFRP 反射镜目前面临两个问题 ： 一是要提高CFRP 薄镜的面形精度 ;二是要降低 CFRP 非球面薄镜的制造成本。 为此，笔者提出了 CFRP 反射镜的非球面成形概念： 即利用主动光学技术， 将球面的CFRP 反射镜变形为非球面 。 它将为高精度低成本的非球面 CFRP 反射镜的制造提供一种新途径。

　　一般 的 CFRP 反 射 镜 的 铺 层 设 计 会 保 证 面 内刚度的准各向同性， 但未特别分析弯曲刚度的准各 向 同 性 (也 称 准 均 匀 性 )[ 13 ]。 要 实 现 高 精 度 的CFRP 材料薄镜的主动成形 ， 使用弯曲刚度准各向同性的层合板非常重要[ 14 ]。 该层合板在主动变形控制下有更小的非对称变形， 可以提高反射镜的面形精度。 因此，弯曲刚度的准各向同性是控制镜面面形均匀变化的关键。 为了得到弯曲刚度准各向同性的 CFRP 材料薄镜，文中根据经典层合板理论建立了优化方法,进行了碳纤维层合板的铺层设计和优化， 并对铺层顺序优化后的层合板进行了有限元静力学分析。