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1、项目名称：空间光学先进制造基础理论及关键技术研究首席科学家：李圣怡 中国人民解放军国防科学技术大学起止年限：2011.11-2016.8依托部门：国防科技大学一、关键科学问题及研究内容以新一代大口径、轻量化、复杂面形、纳米精度为特点的空间光学元件制造技术为研究对象，围绕大镜轻量化、高精度面形加工、复杂面形检测与评价等关键环节，揭示空间光学制造全过程的科学规律，建立和发展以超精、高效、可控自动化为特色的光学制造新方法和核心技术体系。开展以下关键科学问题的研究：科学问题一：功能结构材料空间光学镜体轻量化定量反演设计与复合能场作用的结构创成机制大镜轻量化带来了空间光学元件由光学性能约束向光学力学性能
2、复合约束的革命性变化。大镜镜坯制造经历镜体设计、减重加工和表面成形等关键工序，将设计、加工作为一个整体，研究可制造性条件下的反演设计和镜体的高稳定制造技术。针对新材料和极度轻量化要求，分析镜体刚度和局部刚度的受控条件，研究基于力学性能要求的拓扑优化设计方法，分析制造过程应力应变对结构稳定性的影响规律，提出可制造性条件约束下的创新构型反演设计方法；研究复合能场作用下功能结构一体化材料的去除机理，探索轻量化结构生成的应力应变调控机制及其加工方法；基于压痕断裂力学理论，研究超硬SiC材料微磨机理，分析大镜微磨条件下砂轮磨损的钝化规律，提出砂轮在线修锐方法和恒压控时磨削工艺，形成光学表面生成的优化工艺
3、方法；实现轻量化和结构刚度、整体质量和局部刚度、结构形状和可制造性、能场复合和损伤调控等条件下的有效协同制造。通过多学科交叉研究，系统形成轻量化大镜的空间光学可制造性理论。科学问题二：衍射极限条件下纳米精度复杂光学面形生成机理及全频段误差表征与控制108量级的超大尺度精度比突破了传统制造工艺精度等级的极限，为了提高成像质量，实现光学性能约束下的制造，传统机械制造面形、波纹度、粗糙度的公差理论已不能满足空间光学制造全频段误差的表征与控制要求。因此需要将复杂面形的高精度展成、纳米精度表面生成和全频段误差的表征与控制作为一个整体，系统研究变曲率约束下复杂光学表面展成的几何与物理表征，揭示大型超精密光
4、学磨床少轴高刚性流形结构的反演规律；基于Harvey-Shack散射理论和Goodman统计光学理论，提出中高频误差的小波分析方法，解析全频段误差和光学性能之间的映射关系，提出科学表征和一致收敛的控制方法；研究磁流变、离子束等低应力抛光的材料去除机理，建立基于Sigmund溅射理论、Bingham非牛顿流体理论的加工过程力学分析方法，研究轻量化镜体在局部刚度差异约束下的材料去除可控性规律；分析不同形状去除函数对各频段误差的修形控制能力，建立大相对口径和离轴非球面的非线性误差投影畸变模型，提出平动盘、磁流变、离子束抛光等多工序优化组合的抛光方法，实现空间光学元件宏微跨尺度误差的一致性收敛；系统建
5、立超大尺度精度比空间大镜的纳米精度面形生成理论。科学问题三：空间光学元件多场耦合作用下误差分离测量原理为了保持地面测量精度和空天使用精度的高度一致，满足天地一致性条件，1m以上口径的大镜需将非制造变形控制在23nm范围内，测量和使用条件分离的传统检测方法已不能满足空间大镜天地一致性的测量要求。需要研究天地环境差异带来的重力、温度、大气等环境变化对测量结果的耦合作用规律，基于Couder多点支撑理论和多场耦合下复杂边界条件的有限元仿真模型，探讨轻量化大镜的非制造变形受控条件，研究重力和应力有效卸载的装夹设计方法；基于复杂面形C-空间理论和光学系统的节点像差理论，分析复杂面形姿态变化对测量精度的影
6、响规律，提出计算机辅助的优化调控方法，实现对离轴、离焦和光轴位置的精确调控；分析测量系统的误差影响因素，提出环境、光路、补偿器精度的受控条件，建立多方法和多姿态互检的统计检验与推断模型，对补偿光路进行有效标校，实现空间轻量化大镜非制造变形受控的误差分离测量。主要研究内容包括：围绕科学问题一：功能结构材料空间光学镜体轻量化定量反演设计与复合能场作用的结构创成机制，开展以下研究：1）为了保证反射镜具有足够的刚度和稳定性，同时最大程度地减小镜体重量，必须进行功能结构一体化材料空间光学镜体的轻量化设计和加工研究。分析镜面和安装面变形的影响因素及其规律，建立不同支撑方式、重力与热环境等多工况条件下镜体变
7、形的数学模型，基于多参数优化和拓扑优化技术，建立可制造性条件约束的镜体轻量化结构创新构型反演设计的新方法；开发针对烧结成型SiC镜体进行超声等复合能量磨削的轻量化加工新工艺，分析SiC材料磨削过程中工具与工件之间的作用规律，揭示材料微观变形、去除机理以及亚表层损伤的微观演化机制，研究SiC材料高效低损伤加工工艺；以优化设计的SiC镜体轻量化结构参数为依据，进行数控磨削加工试验，分析复合能场磨削复杂薄壁结构时加工精度、加工效率和结构变形的影响规律，确定不同形状、尺寸镜体轻量化结构的最优加工路径和工艺参数；分析不同力、热环境下轻量化加工后的SiC镜面和安装面形状精度、尺寸精度随时间的变化规律，揭示
8、SiC镜体轻量化加工结构稳定性的影响规律，提出结构稳定性的评价与控制方法。2）为了缩短大镜加工周期、提高加工质量，必须提高复杂面形的磨削精度，控制加工损伤。针对大口径空间光学反射镜对加工精度和表面完整性的极高要求以及SiC材料高硬度、高脆性、磨削加工易产生亚表层损伤、砂轮磨损严重影响加工精度等特点，研究SiC材料在力、热、电等复合能场作用下超精密微磨的材料去除机理、表面微观纹理与亚表层损伤的形成机制，建立超精密磨削亚表层损伤的检测和评价方法；基于压痕断裂力学理论，揭示大型SiC镜面超精密磨削时砂轮的磨损钝化机制及其对加工精度和表面质量的影响规律，研究金刚石微粉砂轮微修整机制及在线实现方法，生成
9、磨削损伤可控的加工条件；提出大口径SiC镜面在不同磨削阶段的协同优化工艺策略及损伤程度、加工精度的预测和控制方法，建立恒压控时的砂轮磨损补偿新方法，进行优化条件下的超精密微磨实验，形成大口径、高精度、低损伤SiC镜面超精密磨削的新工艺理论和技术。围绕科学问题二：衍射极限条件下纳米精度复杂光学面形生成机理及全频段误差表征与控制，开展以下研究：1）复杂光学面形加工与材料去除工艺、机床运动学动力学控制直接相关，光学加工过程由经验主导往确定可控的方向转变，迫切需要研究复杂面形加工工艺系统特性的可控条件，实现加工过程控位、控力、控时，确保工艺条件的稳定可控。针对光学材料难去除、变曲率镜面形状复杂、磨削工
10、艺影响因素众多、多轴联动系统刚度变化和几何误差耦合、高面形精度和低损伤混合控制要求极高、现有研磨工艺误差收敛速度慢等特点，研究基于诱导曲面的复杂面形展成数学原理与非线性热力学的物理表征；建立惯量、刚度时变、参数不确定条件下的多轴超精密磨床动力学模型，揭示刚度约束下限制磨削力的轨迹规划方法和低损伤表面生成原理；探索基于李群李代数和微分流形的力位混合标架，建立几何量、物理量双重反馈的力位混合数控系统；研究表面质量约束下压力、速度、驻留时间自适应高效去除的研磨控制规律，探索高效研磨主动柔顺控制理论与实现方法。2）抛光修形是空间大镜纳米精度生成的关键工艺，依靠刚性抛光盘施加正压力的传统抛光方式，材料去
11、除的可控性差，难以满足轻量化大镜纳米精度高效加工的要求。针对空间大口径轻薄异形镜加工中存在的“格子效应”、“边缘效应”等非连续局部效应和非线性曲率畸变误差等制造技术挑战，采用磁流变和离子束抛光新方法，基于Sigmund溅射理论、Bingham非牛顿流体理论等加工过程力学分析方法，研究以剪切力去除或能量溅射去除等非传统抛光的材料去除机理，建立可控参数下的去除函数模型，掌握纳米量级材料稳定去除的可控性规律，以实现空间光学镜面高效纳米精度成形；研究离轴非球面等复杂光学曲面加工中非线性畸变误差的产生原理，提出去除函数畸变补偿和投影畸变补偿方法，建立基于主动非线性补偿光学镜面确定性抛光误差的收敛理论；研
12、究轻量化结构光学反射镜加工中非连续局部效应误差的产生机理，提出基于低应力抛光工艺的主动抑制方法；研究适应大口径光学元件加工的磁流变、离子束抛光工具和工艺系统设计理论与方法，建立低应力抛光工艺平台；研究工艺参数稳定控制方法和优化理论，基于轻量化大镜磁流变和离子束低应力抛光的工艺实验，形成纳米精度低应力高收敛率的成形抛光工艺。3）不同频段误差形成的点扩散函数不同，会对成像清晰度、锐度和照度等光学性能带来不同影响，因此对全频段误差的幅值、频率、分布等提出明确控制目标，实现其一致收敛是高分辨率成像和高聚能光学元件的必然要求。基于Harvey-Shack散射理论和Goodman统计光学理论，提出中高频误
13、差的小波分析方法，通过光学系统成像仿真研究，揭示光学表面低频、中频、高频误差对光学系统成像质量的影响机理，确定各频段允差；通过研究光学加工各工艺过程中的材料去除机理，揭示各频段误差的形成规律，建立预测与评价方法；开展形状可控的大口径应力盘抛光工艺研究，开发基于“平转动”应力抛光盘光顺技术；建立新的组合抛光工艺路线，按照各种工艺方法的去除机理建立数学模型，获得全频段误差一致收敛、高效稳定的优化工艺组合并进行工艺实验。围绕科学问题三：空间光学元件多场耦合作用下误差分离测量原理，开展以下研究：空间光学大镜对重力、应力和环境作用十分敏感，容易形成大镜面形的非制造变形，为保持天地一致性，实现对加工质量的
14、有效评价，必须开展复杂面形光学元件多场耦合条件下的误差分离测量原理与方法研究。分析多场耦合作用对面形误差的影响规律，提出测量状态非制造变形的受控条件，建立重力和应力有效卸载的装夹设计方法；研究复杂面形姿态变化对测量精度的影响规律，提出计算机辅助的优化调控方法，实现对离轴、离焦和光轴位置的精确调控；分析测量系统误差的影响因素，提出环境、光路、补偿器精度的受控条件，建立多方法和多姿态的互检方法，对补偿光路进行有效标校，实现空间轻量化大镜非制造变形受控的误差分离测量，通过实验研究，形成系统的误差分离测量方法。二、预期目标3.1 本项目的总体目标本项目将针对国家对SiC轻量化空间大型光学元件制造技术的
15、重大需求，特别是镜面直径大于等于2米的超大口径反射镜为研究主要对象，深入研究大口径反射镜制造的关键基础科学问题。围绕功能结构材料空间光学镜体轻量化定量反演设计与复合能场作用的结构创成机制、衍射极限条件下纳米精度复杂光学面形生成机理及全频段误差表征与控制、空间光学元件多场耦合作用下误差分离测量原理等关键科学问题进行研究，以空间大镜制造全工艺流程的镜体轻量化制造、镜面纳米精度抛光和满足天地一致性的大镜测量等关键点为突破口，创新可控光学制造理论，采用复合能场超精密磨削、磁流变和离子束抛光、平动应力盘光顺等新工艺，提升以轻量化、大口径、复杂面形、纳米精度为特征的空间光学元件制造水平；重点揭示极限工况条
16、件下光学加工和检测过程的可控性规律，建立面向新一代光学制造的理论基础，实现从“单一光学性能约束经验主导的光学制造”向“光学力学性能复合约束确定可控的现代空间光学制造”跃升，推动科学技术的进步和相关产业的发展，培养一批从事该领域前沿科学研究、具有创新思想的高科技人才。3.2 五年预期目标在理论研究方面解决2m超大口径轻量化SiC空间光学元件高精度制造中的科学问题，建立可控光学制造的新原理和新方法。1）揭示复合能场作用下SiC材料镜体结构的创成机理，阐明镜体可控损伤高效加工的可制造性条件，研究设计、制造过程中动态交互的轻量化创新构型反演设计方法，实现集设计、制造于一体的高稳定性轻量化空间光学镜体的
17、高效可控制造。2）揭示光学表面全频段误差对光学性能影响的定量映射关系，提出光学系统在衍射极限条件下完善成像的制造约束条件，研究低应力抛光过程的材料去除机理，实现对制造误差幅值、频率及其分布形态的有效控制。3）分析检测环节的误差影响因素，揭示多场作用下轻量化大镜的耦合变形规律，提出重力、应力和环境温度等解耦条件，研究多姿态、多方法互检的统计检验与推断模型，对补偿光路进行有效标校，实现空间轻量化大镜非制造变形受控的误差分离测量。在技术应用方面通过本项目研究，解决空间光学轻量化镜体高稳定性设计与加工、复合能量作用下镜面超精密磨削、全频段误差一致收敛的纳米精度抛光、计算机辅助装夹和复杂面形天地一致性测
18、量等新一代空间光学制造的关键技术问题，取得具有自主知识产权的创新成果，并建立我国新一代2米口径空间光学制造的基础研究和试验平台，以我国高分重大专项中典型大镜为对象进行工艺验证(加工工艺样件由高分专项提供)。1）突破功能结构材料空间光学镜体的轻量化设计与加工关键技术。研究基于可制造性的轻量化镜体定量反演设计技术、SiC材料高效低损超声磨削的工艺控制技术、异形薄壁筋板镜体的低应力加工技术，建立数控超声磨削加工试验平台，空间光学镜体轻量化率提高20。2）突破复合能场作用下空间光学材料的超精密微磨关键技术。研究SiC材料微磨的砂轮磨损机制及补偿技术、金刚石微粉砂轮表面微修整技术、基于动态特性的光学镜面
19、高刚性少轴磨削技术，大型光学元件微磨后形状精度和亚表层损伤深度同时控制到10m量级，改变SiC材料磨削精度低、损伤大、仅作为粗加工手段的传统光学制造理念，实现和光学抛光工艺的有效衔接。3）突破SiC材料空间大镜的低应力高效抛光技术。研究基于剪切去除和溅射去除原理的低应力确定性抛光技术、非连续局部效应的修形抑制技术、非线性畸变加工误差补偿技术和新原理抛光工艺关键技术，实现空间光学元件低应力修形抛光，加工精度达到/70 RMS，表面粗糙度达到RMS 12nm，为新一代空间光学制造工艺路线的形成和工程化提供支持。4）突破全频段误差的一致性收敛技术。研究全频段误差的表征和评价技术、适应曲率变化的应力盘
20、形状控制技术、抛光工具频段误差的修形能力评价技术，建立优化组合的工艺路线，实现全频段误差一致性收敛的抛光，镜面误差PV值与RMS值之比小于8，解决制约光学质量提升的瓶颈难题。5）突破天地一致性测量技术。研究空间大镜高稳定高精度装夹技术、重力应力卸载技术、计算机辅助装调技术、多方法多姿态互检的可信度评价技术，实现非制造变形误差控制在纳米量级，全口径重复检测精度优于/100 RMS，满足天地一致性要求的高精度测量。通过本项目的研究，拟在国内外权威或重要刊物上发表高水平学术论文200篇以上，其中SCI、EI收录150篇以上，撰写专著3部以上，申请发明专利和软件著作权25项以上；培养一批光学制造领域的
21、优秀中青年人才，包括博士后、博士和硕士40名左右。三、研究方案4.1 学术思路以空间光学元件制造技术为研究对象，以空间使役环境下对大口径大相对口径、超大尺度精度比和轻薄异形等特殊要求为驱动，针对空间光学元件制造面临的极度轻量化镜体可制造性设计和高稳定加工、超硬SiC材料光学镜面超精密可控损伤微磨、基于机床动态特性的复杂光学镜面展成的控位控时控力轨迹规划、适应轻量化光学元件的低应力纳米精度高效抛光、全频段误差表征与收敛控制、面形精度天地一致性测量与评定等六方面的技术瓶颈和挑战，围绕项目所提出的三个关键科学问题，通过对制造全过程的多场多尺度数字化建模、仿真和优化控制方法进行研究，发展先进的超精密加
22、工和确定可控抛光技术，实现对光学元件加工过程的定量主动控制，创新空间光学制造理论和方法，研发具有自主知识产权的新一代空间光学制造关键技术和工艺，为空间详查相机急需的新一代大型空间光学元件制造提供理论和技术基础。4.2 技术途径根据空间光学制造中存在的共性关键技术问题，通过理论建模、仿真分析和实验验证相结合的方式，重点突破空间光学功能结构一体化材料的镜体和镜面成形制造、光学镜面低应力纳米精度高效抛光和全频段误差收敛、空间光学镜面天地一致性多场解耦装夹与高精度检测等方面的技术瓶颈，发展光学元件超精密微磨、确定可控抛光新技术和新工艺，建立若干关键技术突破的原理样机和实验平台，为实现空间光学高精度、高
23、效率制造提供技术支撑。1）在空间光学功能结构一体化材料的镜体和镜面成形制造方面，针对空天使役环境和发射条件对空间光学镜体结构性能（轻量化和结构刚度、整体质量和局部刚度、结构形状和可制造性、能场复合和损伤调控）的要求，通过多场耦合、多工况条件下镜体变形对镜面误差的影响建模和仿真分析，提出反射镜体轻量化结构的拓扑优化反演设计方法和基于超声磨削的高效低损伤轻量化结构加工新工艺；通过对超硬材料光学镜面微磨过程中砂轮钝化规律和复合能场作用下锐度保持机制进行研究，建立光学镜面恒压控时精度补偿的磨削成形新工艺；在这两方面研究工作的基础上，建立基于光学镜面亚表层微观结构稳定性、表面形貌特征和几何形状精度的主动
24、定量控制理论与方法，形成功能结构一体化材料光学镜面保形、保性协调的成形制造新方法。2）在光学镜面低应力纳米精度高效抛光和全频段误差收敛方面，针对空间大口径光学元件在衍射极限条件下纳米精度的面形要求，研究场辅助、高能束等非传统光学抛光工艺中剪切力或溅射方式的材料去除机理，建立大口径光学元件柔度可变的低应力抛光工艺平台，提出复杂光学曲面去除函数畸变、投影畸变等非线性补偿理论和策略，解决镜面抛光精度提升过程中的非连续局部误差和非线性曲率畸变效应，形成空间光学镜面低应力纳米精度高效抛光的理论与方法；通过对光学系统成像进行仿真研究，确定各频段允差，研究应力盘抛光技术、计算机控制光学表面成形技术、磁流变和
25、离子束抛光技术的组合加工控制模型，获得全频段误差一致收敛、高效稳定的优化工艺组合。3）在空间光学镜面天地一致性多场解耦装夹与高精度检测方面，针对空间光学反射镜在重力、温度、大气环境等多场耦合作用下的天地一致性与测量可信度问题，结合弹性力学理论与有限元仿真方法，分析大镜面形对重力和装夹力的响应机制，设计合理的大镜支撑结构，实现低应力的重力卸载；通过动力学与热力学仿真和测试实验，运用统计分析和冗余信息融合方法，分离、抑制或补偿测量误差，实现天地一致性多场解耦；综合运用像差理论、位形空间理论与仿真分析方法，建立空间位置不确定性对光学系统波前误差的影响模型，实现复杂面形的计算机辅助装调检测；分析零位检
26、验、非零位或近零位检验等多种测量方法的不确定度和误差特征，通过信息挖掘与融合，建立复杂面形多种测量方法的交叉检验模型，提高测量结果的置信度水平。4）在空间光学制造理论基础和关键技术平台方面，针对大口径、轻薄异形和超大尺度精度比光学元件的制造，构建关键技术平台的应用环境，验证本项目所提出的空间光学制造新原理和新方法，并在相关空间光学集成单位应用。4.3 创新点与特色1）项目特色 紧扣国家重大需求，发展新一代空间光学制造科学与技术项目紧扣高分辨率对地观测、深空探测和空间预警等国家重大需求开展研究，未来10年我国高分辨率对地观测技术要实现从普查到详查的跨越，空间光学制造将面临口径、精度要求大幅提升所
27、带来的技术挑战。项目从基础科学问题研究入手，采用创新的理论、工艺和方法，突破极度轻量化镜体设计加工、全频段误差一致收敛抛光和天地一致性测量等瓶颈问题，形成符合空间光学技术发展需求的新一代确定可控空间光学制造技术。 大口径纳米精度的极限制造空间光学系统衍射极限成像要求镜面达到/50 RMS以上的加工精度，这一要求并不随镜面口径的增大而降低，从而形成了108量级的超大尺度精度比，突破了传统机械加工工艺精度等级的极限。本项目依据Sigmund溅射理论、Bingham非牛顿流体理论，研究低应力状态下的可控抛光方法，掌握具有原子/分子量级确定性去除能力的磁流变、离子束大镜抛光手段，实现超大尺度精度比光学
28、元件加工，奠定宏尺度纳米精度制造的工艺理论基础。 实现天地一致性光学力学性能复合约束的光学制造技术跨越发展随着空间光学元件口径增大，镜体质量迅速增加，空间光学制造面临极度轻量化镜体高稳定制造的革命性挑战；同时大口径轻量化空间光学元件对天地环境的差异极其敏感，满足天地一致性要求的空间光学制造成为保证空间光学系统使役性能的关键。项目将可控损伤制造原理、结构定量反演设计理论、误差分离原理等新理论引入光学制造过程中，满足空间光学天地一致性光学力学性能复合约束的特殊需求，极大丰富了光学制造技术的内涵。 多学科交叉融合空间光学制造已成为制造科学一个崭新的分支，它是基于航空宇航、空间光学、材料科学、信息科学
29、和制造科学等学科的最新成果而逐渐形成和发展起来的，具有明显的多学科综合交叉特性。多学科融合促进了其发展，同时空间光学制造技术的发展也将支撑航空宇航、空间光学、信息科学等学科的发展和进步。2）项目创新点 提出可控损伤和定量化反演设计相融合的高稳定轻量化镜体制造方法空间光学元件轻量化发展经历了从哈勃望远镜光学主镜面密度180kg/m2到Herschel的25kg/m2、再到未来20kg/m2的过程；在极度轻量化的同时，要保证镜体具有足够的刚度、强度和结构高稳定性。针对这些挑战，项目依据断裂力学、纳米力学、结构拓扑优化和创新构型设计，研究超硬材料薄壁件可控损伤的制造条件，并将其作为轻量化创新构型设计
30、的输入条件，提高轻量化镜体的设计生成能力，建立功能结构材料光学元件保形和保性协调的轻量化制造新方法。 提出全频段误差一致收敛的纳米精度光学元件制造方法为了满足光学系统衍射极限成像条件，大口径光学元件要求全频段误差一致收敛到纳米精度，这对光学加工过程的误差收敛能力提出了极大挑战。项目依据光学散射理论和小波分析方法，解析光学性能对全频段制造误差的定量控制要求；通过研究微磨过程中机床动态特性演变和微观形貌的生成规律，创新提出将基于柔顺控制的超精密微磨方法引入光学加工中，实现损伤和微观形貌可控的复杂形状高精度展成；基于断裂力学、Sigmund溅射理论、Bingham非牛顿流体理论和信息学原理，分析去除
31、函数形态对宏微跨尺度误差的收敛能力，创新提出平动应力盘光顺和磁流变、离子束抛光组合的全频段误差收敛新工艺，这些工艺的组合突破了传统光学制造的工艺路线，解决了低应力确定可控抛光的难题，实现全频段误差一致收敛的纳米精度加工，形成超大尺度精度比空间镜面的纳米精度生成新工艺和新方法。 提出多场解耦、满足天地一致性条件的空间光学元件误差分离测量方法随着空间光学元件口径增大、轻量化率提高，对天地环境的差异更加敏感，对制造误差和非制造变形进行有效分离是保证光学元件天地一致性测量的关键。项目基于结构力学和有限元分析理论，解析由重力、装夹应力、温度、气流等带来的非制造变形，采用误差分离理论和不确定性分析理论，解
32、析测量过程的误差源，提高测量可信度；在此基础上研究实现重力、应力卸载的装夹方法，对测量环境进行有效控制，采用多方法和多姿态的互检，解决多场解耦天地一致性测量的难题，形成空间光学天地一致性误差分离测量的新方法和新理论。4.4 可行性分析本项目研究紧扣“高分辨率对地观测系统”和“载人航天与探月工程”等国家重大需求，针对我国空间遥感技术从普查到详查跨越发展的具体要求，研究具有大口径、轻量化、复杂面形、纳米精度特征的现代空间光学元件制造理论和方法，支撑我国空间光学技术的发展，研究意义重大。项目针对制约我国空间光学技术发展的制造技术瓶颈，从轻量化镜体制造、全频段误差纳米精度控制和天地一致性测量三方面入手
33、，通过深入的基础研究，创新工艺手段，将制造领域的最新研究成果应用到空间光学制造中，突破传统光学制造理念和加工精度的极限，发展新一代空间光学制造技术，为实现满足衍射极限条件、符合天地一致性要求的空间光学元件加工奠定理论和工艺基础。项目研究目标先进、内容具体、基础性前瞻性强。研究团队集中了我国长期承担空间光学系统型号研制任务的主要光学单位和长期从事超精密加工基础研究的高校，有光学领域的院士做指导，有杰出青年和长期从事相关技术研究的专家担任课题负责人，形成了空间光学制造技术研究的国家队。同时这些单位拥有和课题研究内容相关的多个国家重点实验室、国防科技重点实验室和教育部重点实验室，为项目研究提供了国内
34、最好的条件。前期在光学加工技术方面的研究与实践以及在磁流变、离子束和应力盘抛光等单项技术研究方面取得的突破，为项目研究的顺利开展奠定了坚实基础，也为成果的顺利转化应用提供了条件。4.5 课题设置和课题间相互关系以大口径、超大尺度精度比和轻薄异形空间光学元件制造技术为研究对象，围绕三个关键科学问题，从光学元件保形保性微磨机理、纳米精度面形生成和空间大镜可信测量三个层面设置如下6个课题，各课题之间的相互关系见图1所示。课题1：SiC材料空间光学镜体轻量化设计与高效加工新方法；课题2：复合能场作用下SiC材料超精密微磨机理与关键技术；课题3：复杂光学面形超精密加工的展成控制；课题4：空间光学镜面的低
35、应力纳米精度高效抛光；课题5：空间光学镜面全频段误差的表征与一致性收敛控制；课题6：复杂面形光学元件多场耦合条件下的误差分离测量理论与方法。图1 课题设置思路和相互关系课题1：SiC材料空间光学镜体轻量化设计与高效加工新方法研究目标：针对功能结构一体化材料空间光学镜体的轻量化要求，基于多参数优化和拓扑优化技术，考虑镜体结构的可制造性，提出面向制造的空间光学轻量化镜体创新构型反演设计理论和方法；针对镜体的材料特性、结构特点以及现有轻量化工艺的局限，提出对烧结成型SiC镜体进行超声磨削等多能场作用的轻量化加工新方法，研究SiC材料的高效低损伤精密磨削加工机理，分析磨削加工亚表层损伤对SiC镜体变形
36、的影响，研究SiC镜体轻量化加工的结构稳定性评价与控制方法，为空间光学镜体的高刚度、高稳定性轻量化提供先进设计理论及工艺技术。研究内容：1）面向制造的空间光学轻量化镜体创新构型反演设计理论2）SiC材料的高效低损伤复合能场精密磨削加工机理3）复合能场作用下SiC镜体的轻量化磨削加工方法与工艺优化4）SiC镜体轻量化加工的结构稳定性评价与控制方法经费比例：16承担单位：大连理工大学，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所课题负责人：康仁科学术骨干：赵福令，董志刚，周平，李志来课题2：复合能场作用下SiC材料超精密微磨机理与关键技术研究目标：针对大型空间光学反射镜对加工形状精度和表面/亚表层质量的
37、极端要求以及SiC材料高硬度、高脆性、磨削加工易产生表面/亚表层损伤、砂轮磨损严重影响加工精度等特点，研究SiC材料在力、热、电等复合能场作用下超精密微磨的材料去除机理、表面微观纹理与表面/亚表层损伤的形成机理，确定超精密微磨亚表层损伤深度的检测和评价方法，揭示大型SiC镜面超精密微磨时砂轮的磨损钝化机制及其对加工精度、表面质量的影响规律，研究金刚石微粉砂轮微修整机制及在线实现方法，获得大型SiC镜面高精度、低损伤协同优化的工艺方法。研究内容：1）复合能场作用下SiC材料超精密微磨的材料去除及亚表层损伤形成机理2）SiC材料超精密磨削亚表层损伤的检测与评价方法3）砂轮磨损钝化机制及其对加工表面
38、生成的影响规律4）金刚石微粉砂轮微修整机制及在线实现方法5）大口径SiC镜面超精密磨削工艺的协同优化经费比例：12%承担单位：哈尔滨工业大学，中国人民解放军国防科学技术大学课题负责人：张飞虎学术骨干：甘阳，施平，张勇，石峰课题3：复杂光学面形超精密加工的展成控制研究目标：针对硬脆光学材料难去除、变曲率镜面形复杂等特点，研究磨削工艺的影响因素，分析多轴联动系统刚度变化及几何误差的耦合规律，提出高面形精度、低损伤磨削的混合控制条件；研究传热、应力、系统运动耦合作用下两体/三体微磨表面微观形貌的表征方法，形成刚度、惯量时变、参数不确定条件下多轴运动系统几何与动力学的集成优化理论，探索作用力、加工位置
39、和时间的协同控制原理、轨迹规划与实现方法。研究内容：1）高精度、高表面质量复杂曲面展成的几何与物理表征2）复杂面形展成的多轴运动系统几何与力学集成优化理论3）复杂面形超精密磨削控力轨迹规划与力位混合数控实现4）复杂面形高效精密研磨主动柔顺控制理论与实现方法经费比例：13%承担单位：上海交通大学，苏州大学课题负责人：殷跃红学术骨干：潘君骅，裴景玉，费燕琼，言勇华课题4：空间光学镜面的低应力纳米精度高效抛光研究目标：针对轻量化空间光学元件低应力纳米精度的抛光要求，基于Bingham非牛顿流体理论和Sigmund溅射理论，揭示剪切力去除或溅射去除等低应力材料去除机理，建立磁流变、离子束抛光可控参数的
40、去除函数模型，提出光学镜面成形抛光中去除函数畸变和投影畸变等非线性畸变补偿的误差收敛算法，对“边缘效应”、“格子效应”等非连续局部效应误差进行主动控制，在磁流变、离子束抛光等低应力抛光平台上实现空间光学镜面的低应力纳米精度高效抛光。研究内容：1）空间光学镜面低应力抛光机理和去除函数可控方法2）基于主动精度补偿的误差收敛理论3）抑制非连续局部效应的纳米精度修形方法4）纳米精度低应力高收敛率的成形抛光工艺经费比例：26%承担单位：中国人民解放军国防科学技术大学课题负责人：李圣怡学术骨干：戴一帆，彭小强，王建敏，郑子文课题5：空间光学镜面全频段误差的表征与一致性收敛控制研究目标：通过对空间光学系统成
41、像进行仿真研究，揭示光学镜面各空间频段误差对成像质量的影响规律，确定各频段允差；分别建立基于“平转动”应力盘抛光技术、数控小磨头成形技术、磁流变抛光技术、离子束抛光技术的加工工艺模型，揭示光学表面低频、中频、高频误差的形成与演化规律，建立其预测与评价方法；开展组合抛光工艺的控制与优化方法研究，获得全频段误差一致收敛、高效稳定的工艺组合优化方法，结合在研工程项目实现1m口径以上空间光学反射镜全频段误差的一致性收敛。研究内容：1）全频段制造误差对光学系统成像质量的影响规律2）光学表面低频、中频、高频误差的形成机理与评价方法3）全频段误差一致性收敛的工艺组合优化方法4）1m以上口径SiC离轴非球面反
42、射镜全频段误差一致性收敛的实现方法经费比例：19%承担单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所课题负责人：张学军学术骨干：郑立功，张忠玉，张峰，薛栋林课题6：复杂面形光学元件多场耦合条件下的误差分离测量理论与方法研究目标：针对空间大镜多场作用下误差耦合的问题，对测量系统误差源进行集成分析，研究误差可分离性，建立制造误差和非制造变形的误差分离模型；研究多场耦合对面形误差的影响规律，建立大镜非制造变形的可控条件，提出测量过程中重力卸载以及微应力装夹方法；采用多种测量方法互检互校以提高测量可信度，在多场耦合条件下解耦镜面加工残余误差与失调误差，为高精度抛光过程提供可靠的指导，使空间光学镜面达到天
43、地一致的面形精度要求。研究内容：1）多场耦合条件下空间光学镜面误差源集成分析与分离理论2）空间大口径反射镜检测中重力卸载方法及微应力装夹实现3）复杂面形光学元件计算机辅助装调的测量方法4）高精度复杂光学面形多测量方法交叉检验及标定方法经费比例：14%承担单位：中国科学院上海技术物理研究所，中国人民解放军国防科学技术大学课题负责人：郑列华学术骨干：龚惠兴，王敬，陈善勇，王鹏四、年度计划研究内容预期目标第一年1）研究大口径及超大口径空间SiC反射镜镜体结构刚性数字化仿真分析方法，初步实现结构稳定性评价和优化；2）大口径及超大口径SiC材料磨削可制造性分析建模及仿真研究；3）超声、电解复合能场作用下
44、SiC 材料磨削方案设计；4）高精度、高表面质量大口径复杂曲面展成的几何与物理表征；5）超大型轻薄光学镜面条件下SiC材料的磁流变抛光材料去除分析研究；6）光学表面全频段误差的建模方法与产生机理分析。7）大口径空间光学镜面多场耦合条件下检测系统误差源分析；1）通过研究大口径及超大口径空间SiC反射镜镜体结构刚性的仿真分析方法，实现力学性能的有效评价；2）掌握影响大口径SiC材料磨削精度和表面质量的基本因素及其规律。3）提出多能复合作用下的SiC材料超精密磨削方法，完成实验方案设计论证；4）针对空间光学大口径复杂曲面的铣磨成形，建立曲面展成的几何与物理表征模型；5）建立超大型轻薄光学镜面条件下S
45、iC材料磁流变抛光的材料去除效率、应力、时间留驻等模型，为实验研究提供依据；6）提出PSD和小波等全频段误差分析方法，分析其生成规律；7）建立大口径复杂面形测量系统模型，对误差源进行定性定量分析；第二年1）研究以轻量化率和结构刚性等为约束的SiC反射镜镜体结构创新构型设计方法；2）研究复合能场在SiC 材料磨削中的作用机制，研究复合能场作用下材料去除规律及对结构和镜面的损伤影响；3）研究多轴运动系统的动态特性，提出动态条件下多轴运动系统几何及力学建模方法，建立大口径及超大口径复杂面形展成中刚度、压力等非线性变化模型；4）SiC材料轻薄光学镜面的离子束抛光机理和加工热应力分析；复杂面形离子束抛光
46、去除函数非线性变化规律，最小去除分辨率可控性研究；5）研究误差频率和幅值成分对光学性能的影响规律，建立关系模型；6）基于大口径及超大口径空间反射镜的变形控制要求，研究装夹的重力及应力卸载方法。1）通过研究，在传统减重设计的基础上，掌握以空间大镜使役条件为约束的创新构型设计方法，实现力学性能的优化设计；2）通过超声和电解等复合能场在SiC材料磨削中的实验研究，初步掌握其作用规律，初步建立大口径和超大口径复合能场磨削的控制方法；3）掌握多轴运动系统大跨度运动条件下的动态特性的变化规律，初步建立大口径复杂面形展成的优化控制方法；4）掌握离子束抛光SiC材料的响应机制，获得材料去除模型和热学力学特性，
47、初步建立纳米及亚纳米量级分辨率的有效去除控制方法；5）建立误差对光学性能影响规律的分析方法，提出不同频段误差的控制依据；6）提出大口径及超大口径反射镜重力应力卸载理论，初步建立满足天地一致性测量要求的装夹设计方法。第三年1）研究轻量化反射镜镜体结构加工损伤产生机制，分析损伤对结构稳定性影响关系，研究面向制造的大口径轻量化镜体创新构型反演设计理论。2）研究SiC材料磨削的砂轮磨损及钝化规律，研究大口径及超大口径SiC镜面超精密磨削的可补偿特性；3）建立复杂面形展成的多轴运动系统几何与力学集成优化理论，研究复杂面形超精密磨削控力轨迹规划与力位混合数控实现方法；4）研究低应力抛光大口径和超大口径反射
48、镜面的去除函数稳定性控制理论，研究主动精度补偿的误差收敛理论；5）比较不同加工方法低、中、高频误差的变化，研究不同频率误差的产生规律，分析误差抑制能力；6）研究复杂面形空间位姿形态对像差的影响规律，研究大口径和超大口径离轴非球面测量的计算机辅助装调方法；1）掌握镜体加工稳定性约束条件，建立以加工条件为约束的轻量化反演设计方法，实现高稳定和高度轻量化的大口径及超大口径镜体设计；2）掌握SiC材料磨削工艺参数对加工精度的影响规律，建立误差补偿的磨削方法，实现磨削精度的提高；3）提出复杂面形展成的多轴系统优化控制理论，建立多轴系统的轨迹规划方法，实现以提高精度和表面质量为目标的力位混合控制；4）提出确定性抛光补偿控制新理论，建立大口径和超大口径反射镜面纳米精度修形的新方法，实现高效高精度的低应力抛光加工；5）掌握不同加工方法中高频误差产生规律，建立中高频误差和抛光模形状、效率及轨迹规划的定量关系模型，提出误差抑制方法；6）掌握复杂面形空间