边界位移调节量对薄膜反射镜成形的影响

　　0　引言

　　目前太空光学系统主镜应用逐渐向大口径、高分辨率的方向发展,对光学系统主反射镜的性能要求提出了高要求。薄膜反射镜技术是一种新兴的反射镜技术,相对于传统的反射镜基底材料重量大、加工难、成本高的缺点,它具有质量轻、便于控制、可折叠和成本低的优点,充分适应火箭运载空间和重量的制约。静电薄膜反射镜是薄膜反射镜技术的主要成形方法之一,它是利用高压静电轴向拉伸圆形单面镀铝薄膜而精确成形的。和充气、真空等成形方式的薄膜反射镜技术相比,它具有成型精确的特点而受到广泛研究。目前世界上相关研究国家很多[1],而国内只有长春光机所[2-4]和苏州大学[5]正在进行相关理论分析和验证研究。

　　静电薄膜反射镜的圆形薄膜成形分为两部分:(1)径向拉伸平面成形;(2)静电力横向拉伸曲面成形。圆形薄膜本身没有刚度,在施加了径向预应力后具有了刚度来承受轴向静电力拉伸曲面成形。平面成形阶段的预应力对薄膜平面度调节具有重要作用,可以适当弥补薄膜本身的内应力分布不均并消除薄膜表面微皱纹,同时提高曲面成形阶段的稳定性。而且在一定范围内,预应力越大,曲面成型质量越好[4],同时薄膜轴向拉伸变形所需施加电压增大。国外的静电薄膜反射镜结构多采用精密传感器来进行边界调节,涉及调节量与面形质量关系的文献较多[6-7],至于边界位移调节量范围的确定则少见报道。下面将结合φ180 mm静电薄膜反射镜试验平台进行最大预应力调节量的分析计算和实验验证,这对薄膜反射镜的成形控制来说具有重要意义。

　　1　边界位移调节结构

　　为了开展静电薄膜反射镜的成形机理和面形影响因素研究,搭建了一个单电极静电薄膜反射镜实验平台,结构原理如图1所示。薄膜固定在支架外环的端面上,靠支架内环端面的精度来保证薄膜平面度。通过端盖上的压环压入薄膜来调节薄膜径向位移来提高预应力,达到将薄膜拉紧和扯平的作用。电极座采用绝缘材料环氧树脂制作,其临界场强达到200~300 kV/cm,保证了高压实验的器件的安全性。单面镀铝薄膜镀铝层朝外并且接地,通过高压直流供电装置对圆盘电极板供电,从而形成电势差对圆薄膜进行拉伸成形。

　　2　边界位移调节量确定

　　薄膜反射镜预应力的调节范围应处于[σ0,σr]的区间上,其中σ0为未盖压圈前周边夹持结构提供给薄膜边界的自然应力,只起到拉持薄膜的作用。σr为薄膜的弹性极限,静电拉伸薄膜的线弹性变形就应该发生在σ<σr的区间上,在这一区间上薄膜的变形是可以完全回复的,对于空间反射镜而言超过弹性极限σr的应力状态将会引起反射镜面形控制的失效。但是这个范围过大,实际薄膜边界径向预应力的调节远小于这个范围,给实际操作带来不便。下面将缩小这个范围,为采用聚酰亚胺薄膜的180 mm静电薄膜反射镜研究进行量化分析。