毕业设计(论文)-静电拉伸薄膜反射镜研究.doc
《毕业设计(论文)-静电拉伸薄膜反射镜研究.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计(论文)-静电拉伸薄膜反射镜研究.doc(26页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第1章 引 言1.1 课题研究背景、目的及意义随着空间光学、空间通信和对地观测技术的发展,作为空间望远镜、雷达、天线、能量聚集器、放大成像系统的主要光学元件,反射镜的高分辨率、大视场的使用要求越来越高。长期以来,传统的反射镜使用玻璃、金属、晶体等形态稳定的刚性材料做基坯,其主要缺点是面密度大、加工难度大、制造周期长、成本高,难以适用于超大口径(如几十到几百米)光学系统对反射镜的要求。虽然先进光学制造技术可以将这些传统反射镜基底材料被加工得很薄以减轻重量,但是随之而来却造成了加工时间、加工成本的成倍增加和使用性能的降低。合成孔径技术的出现弥补了传统材料大口径反射镜加工制造的困难,并便于折叠和有限
2、运载(如预计于 2013 年升空的“韦伯”望远镜)。但是合成孔径反射镜会因牺牲系统的光能利用率和图像信噪比而影响观察图像质量,而空间薄膜反射镜技术以其特点和优越性使人们看到了探索空间的新希望。柔性薄膜通过夹具的夹持和静电作用,使其产生弧度聚光,从而实现薄膜反射。由于薄膜反射镜比较轻,可以应用于航空的研究。多电极柔性薄膜反射镜具有十分明显的优点:面密度小,柔性可展/可折叠,材料成本低、成形自由度大,可变焦距等。通过对薄膜反射机理的研究,了解了多电极薄膜反射镜对宇航的影响,为空间薄膜反射镜关键技术的深入研究和成熟应用奠基基础。图 1.1 空间薄膜反射镜技术的发展和分类随着材料科学近几十年的快速发展
3、,高性能聚酰亚胺薄膜、压电薄膜等新型薄膜材料的出现使得柔性膜基反射镜在空间使用成为可能。与传统材料的大口径反射镜相比,柔性薄膜反射镜具有十分明显的优点:面密度小,柔性可展/可折叠、材料成本低、成形自由度大、可变焦距等,可以解决火箭运载对有限体积、质量的限制与不断增加的对大口径(高分辨率)、轻质反射镜使用要求之间的矛盾,因此对它的应用研究极具诱人前景。虽然人类对于薄膜技术的研究已经有几个世纪的历史,但如何将柔性薄膜应用于反射镜并使之高精度成形还是具有挑战性的课题,研究程度一直很热。目前已经出现的柔性薄膜成形方法有:充气式/真空式、静电式/电磁式、吊装式、液体式、面形扫描驱动式、预成形式以及混合成
4、形式等,其中充气式和静电式研究较多,如图 1.1。 图 1.2 利用薄膜反射镜对北京进行空间照明的“不夜城”设想图无论哪种方法,如果能够在原理上保证薄膜面形精确成形,再配以面形检测和反馈控制技术,应用前景就更加广阔。静电薄膜反射镜是通过分布电极作用形成空间分布电势而使薄膜拉伸成形的,相比于受均压载荷成形的充气式薄膜反射镜来说对面形的可控自由度更大。以美国为首的国外先进宇航国家纷纷对大口径静电薄膜反射镜技术展开了研究,相关成果报道屡见不鲜。相比之下,国内的研究机构很少(只有长春光机所和苏州大学),研究起步较晚,尚停留在理论试验方面,相关的研究成果报道也很少。但是国内的宇航学者已经把空间薄膜反射镜
5、技术纳入发展计划之中,图 1.2 为利用薄膜反射镜的聚光效应对北京进行空间照明的设想图。1.2 空间薄膜反射镜发展综述二十世纪六十年代美国宇航局提出了大口径空间望远镜计划,意在设计、制造和主动连续控制大口径反射主镜,充分利用太空资源。随后美国相关研究机构以及其它先进国家纷纷开展研究,掀起了薄膜反射镜技术研究的热潮。下面按照成形方式的不同,对有代表性的研究实例进行介绍和分析。一、 充气/真空式薄膜反射镜图 1.3 Echo I 充气模型 图 1.4 IAE 充气天线在轨实验充气/真空式薄膜反射镜是利用充气气压或真空负气压使薄膜成形的一种反射镜。由于利用充气式成形薄膜面形精度较低,因此常用作雷达、
6、天线。1960年 8月美国 NASA 使用镀铝的聚酯薄膜制作了一个 31m 直径 62Kg 的充气圆球(EchoI),能够在地球各个区域进行反射无线电通讯,如图 1.3。受制于发射空间和质量的限制,天线口径不能太大,此后可折叠/展开技术快速发展,充气装置可以发射到太空进行应用。1964 年发射的口径为 41m 的 Echo型天线采用充气硬化材料制作,能够克服 Echo I 的长时间使用的变形问题而作为通讯卫星和对地观测之用。Echo 型天线寿命极短,上世纪 60 年代底即被主动控制技术取代。1996 年美国 NASA 充气天线(IAE)在轨实验成功后(图1.4),美国国防部看到了这种技术的潜在
7、价值并开始了大口径雷达天线计划。后来许多国家都纷纷开展了充气式薄膜反射镜技术研究(图 1.5-1.6),但由于成形精度有限,大多用于太空天线、能量汇聚和放大显示。图1.5 1998 年加拿大利用激光系统检 图1.6 苏格兰斯特拉思克莱德大研制 测压电充气式薄膜拉伸变形 的真空式 1.2m 薄膜反射镜二、 静电式/电磁式利用静电拉伸控制薄膜成形是获得大口径超轻薄膜反射镜的革命性方法,它在控制面形和控制精度方面比充气式反射镜有较大的优势。和充气式薄膜反射镜作用均布载荷不同,它能通过分布式多电极的作用形成非均布力使面形精度和薄膜像差补偿上得到很好地提高。下面将对静电薄膜反射镜几种有代表性的研究成果进
8、行介绍。图 1.7 美国 NASA 4.88m 静电薄膜反射镜图 1.8 亚利桑那大学 160mm 静电薄膜反射镜1978 年 6 月美国麻省理工学院为了研制大口径、轻质、高精度空间反射天线,开始了静电薄膜反射镜计划。1979 年,美国 NASA 进行了一个 4.88m 的多环电极的聚酰亚胺薄膜反射镜实验(图 1.7)但受制于大面积薄膜制备技术和控制技术的限制,以后的研究逐步走向小口径化。2000 年,美国亚利桑那大学通过压电陶瓷的微控制有效改善成像质量,获得了口径为 6 英寸、曲率为 32m、平面反射镜中心四英寸范围内的面误差可达到 /20的静电薄膜反射镜,曲面反射镜同样也取得了很好的实验结
9、果,如图 1.8。此外,美国科学研究会(SRS Technologies)进行了大型薄膜反射镜及可展结构的研究,取得了应用性进展(图 1.9-1.10)。图1.9 美国 SRS Technologies 公司静电薄膜反射镜原理图和实物图图1.10 底网支撑式曲面电极拼接1.3 静电薄膜反射镜研究现状静电薄膜反射镜通过在高压电极和镀金属(铝、银)树脂薄膜之间形成电势差,在电场力的作用下使薄膜发生变形从而达到静电力和结构力的平衡以稳定成形。理想抛物面具有良好的光学望远镜所需精度,而平面薄膜在受到均布载荷作用下变形后主要产生球差(和理想抛物面误差呈W”曲线样式),因而充气或真空吸气式所作用的均布载荷
10、难以满足理想的光学效果。分布式静电力可以产生薄膜抛物面成形所需的连续载荷分布,具有空间分布可控性、局部自由成形、离轴聚焦、焦距可变的优点,因而研究广泛。但由于成形机理和影响因素十分复杂,空间薄膜反射镜的多电极控制方法一直缺乏全面而深入地认识,而且要获得一定成形精度的面形还受制于很多相关技术发展的制约,如:薄膜材料的制备、薄膜预应力调节技术、成形控制机理和方法、薄膜反射镜面形评价技术。由 1.2 节可以得知,国外在静电薄膜反射镜的技术研究方面已经取得了很多实质性进展,下面对目前静电薄膜反射镜相关技术的国内发展现状进行对比分析。根据在大口径静电薄膜反射镜公开研究成果方面的不完全统计,中科院长春光机
11、所和苏州大学是中国唯一两家相关研究单位,大体成果都出现在 2006 年以后。两家共发表学术论文 17 篇,相关研究内容主要集中在薄膜的静电成形机理和初步验证阶段,其中关于综述性文章 1 篇、成形机理和实验分析 10 篇、面形仿真及光学评价 1 篇、边界条件及成形模拟 4 篇、混合成形研究 1 篇。关于成形机理和试验分析的 10 篇文献中,关于均布载荷下面形求解分析的占有 8 篇;而且所有实验分析都是基于均布载荷作用下的初步拉伸试验和检测。论文9中和文献10、11中,基于聚酯薄膜的预成形技术初步分析了静电和真空混合成形方法的原理。由 1.2.1 小节中关于预成形技术的国内外发展现状介绍可知,在薄
12、膜树脂合成时采用旋转铸造成形技术方能实现薄膜的大变形预成形。由此可以看出国内关于大口径静电薄膜反射镜的研究阶段和趋势,结合一定的结构设计进行薄膜反射镜的多电极控制方法研究是关键。当然,这里有必要和MEMS里的静电驱动式可变形镜技术做一下对比。目前国内外关于静电驱动式可变形镜的研究报道较多,但它和大口径的静电薄膜反射镜成形控制相比有很大差别。静电驱动式可变形镜的特点如下:薄膜材料一般刚度较大,有的不考虑预应力或通过变形载荷提供结构刚度;一般都是小口径(一般小于100mm)和小变形(和反射镜膜厚相当)问题;控制电极数目较多;成形机理、影响因素简单;讲求高频动态波前补偿;通过线性化就可快速准确地控制
13、多电极对面形的驱动。而大口径(最大数十米)薄膜反射镜成形机理、影响因素复杂,非线性大变形控制精确确控制较困难。而且随着口径的增大,静电薄膜反射镜而出现很多工程设计和制造困难,如结构设计、薄膜制造和面形检测等。但是对可变形镜的一些分析方法也是可以参考的,比如不稳定性分析、耦合特性分析和变形求解等。综合国内外的研究现状,可以得知由一定边界条件和加载性质求解薄膜变形问题已经研究广泛,理论设计阶段的面形光学质量评价也已成型。薄膜反射镜的多电极成形控制问题涉及到根据一定面形和边界条件反演求解薄膜受载条件的设计问题,这在国内外研究还很少。因此,有必要展开这方面的攻关,实现空间薄膜反射镜的多电极控制研究。第
14、2章 静电拉伸薄膜反射镜静电成形机理2.1薄膜反射镜静电拉伸成形原理建立静电拉伸薄膜反射镜静电成形理论模型的目的,是为了获知薄膜面形对于外加载荷的响应,研究外加载荷的改变对薄膜面形的影响,为解决实际问题提供理论依据。静电拉伸薄膜反射镜静电成形主要以静电学和弹性力学等方面的理论为基础,需要从两方面对静电拉伸薄膜反射镜静电成形进行分析。静电拉伸薄膜反射镜静电成形原理如图 2.1 所示,通过施加适当的预应力,将镀有金属反射层的薄膜 1 均匀伸展成平面,采用周边固定的方法将薄膜边缘固定在装置 2 上。在薄膜和由一系列电极 3 组成的电极板之间加上静电高压,产生静电力,使薄膜发生弯曲而形成凹面反射镜。静
15、电拉伸薄膜反射镜静电成形可以被看作是周边固定的平面薄膜在外加静电载荷作用下发生形变,通过分析周边固定的薄膜在外加载荷作用下的形变,以及静电压与载荷大小的关系,可以求出静电拉伸薄膜反射镜在静电载荷下的面形。1. 薄膜 2. 固定装置 3.电极 4.绝缘基座图 2.1 薄膜反射镜静电成形原理图由弹性力学理论可知,在周边固定的条件下,若对薄膜施加均匀的压强载荷,则薄膜的挠度为z= (2-1)式中:z为挠度;p为压强载荷;T为薄膜的张力。根据静电学理论,静电高压在薄膜表面所产生的压强载荷近似为p= (2-2)式中:v为电极板和薄膜之间的电压;d为电极板和薄膜之间的距离; 为真空的介电常数。由上面两公式
16、可得到薄膜反射镜面形满足下式所示的泊松方程 (2-3)根据圆形边界条件求解该方程,可以进一步得到在静电力作用下薄膜反射镜的顶点曲率半径: R= (2-4)薄膜反射镜顶点曲率半径R与所施加的静电电压V、薄膜张力T以及薄膜与电极间距离d有关。电压越高,则薄膜的曲率半径就越小。通过调节电压,可以获得具有不同顶点曲率半径的薄膜反射镜。2.2 主动控制影响因素分析2.2.1电极电压通过分布电极电压形成面形所需的空间电势场是静电薄膜反射镜区别于其它成形方式反射镜的特征。根据单电极的试验结果和理论分析可知,通过单一的电极控制薄膜理论成形是不现实的。因此要对一定成形精度的静电薄膜反射镜控制方法进行研究,就必须
17、分析多电极的控制作用。由于电极通电电压和薄膜变形之间的关系是非线性的,而且电极之间存在耦合影响作用,这无疑给薄膜面形的多电极控制带来极大的困难。在研究这个问题时,电极分布形式、数目以及电极间的绝缘间隔是前提条件,这些将在第四章具体结构设计中讨论。假如这些前提条件都设计好,则电压施加控制算法的准确性和精度、相应的求解精度以及面形检测系统将会对面形的精度产生最重要的影响。从目前的研究现状来看,国内外对于大口径薄膜的大变形控制问题一直研究不断,大体集中在两个方面:1、平面薄膜成理想面形(抛物面)所需的连续载荷分布求解模型和求解精度已有的近似解析模型的线性化求解,离散均布力的薄膜受载变形模型和有限元优
18、化求解方法都存在很大的建模误差和求解误差。如何得出理想抛物面成形所需的连续载荷分布模型,并准确快速地进行求解,可以为静电薄膜反射镜的结构设计和面形控制提供依据。2、连续载荷分布对应的离散电场分布求解精度即使连续载荷分布模型能够准确快速地求解出来,也只是明确了实现目标,最终还要落实到离散分布电极的电压求解上来。如何实现通过有限数目的电极控制作用实现连续载荷作用下的面形,具体问题还有待求解分析。可见,多电极电压对面形的影响作用应该依据具体的设计和控制算法而定,这一点将在第三章重点解决。2.2.2预应力即使在没有静电力控制时,一个预成形的薄膜在边界径向预应力的作用下也是可以理想抛物面成形的12。而对
19、于没有结构刚度的柔性薄膜,预应力可以使柔性薄膜获得成形所需的刚度,同时预应力施加可以弥补电极电压调节对面形的控制作用。根据齐迎春博士论文可知:(1)预应力越大,则薄膜抗弯刚度越大,达到同样变形所需的轴向载荷也越大;也就是当其它条件一定时,预应力越大薄膜受相同载荷的变形量越小。(2)预应力越大,计算面形与理想抛物面越接近,但反射镜的波前也越大。(3)预应力增大,慧差稍有增大,像散减小,高级球差增大,可通过薄膜的边界预应力来调节面形像差。由此可见预应力对于静电薄膜反射镜的面形精度的调节和控制来说十分重要。2.2.3吸附不稳定性圆薄膜预应力调节数值影响薄膜反射镜结构参数和所施加电压,同时薄膜反射镜结
20、构参数和所施加电压也限制着预应力调节量的取值。薄膜的边界预应力越大,膜的稳定成形的变形范围越大,临界吸附击穿电压也越大,同时吸附击穿过程也十分快速,不易控制。因此要控制薄膜反射镜获得最大变形量的稳定面形就需要在研究静电薄膜反射镜吸附不稳定特性的基础上,预先知道特定边界条件下薄膜的临界吸附电压和极限拉伸量。否则不但不能获得稳定面形,还可能造成薄膜永久损坏,这对于发上天的卫星来说后果可想而知。2.2.4薄膜吸附临界变形量的估计目前的静电薄膜反射镜吸附不稳定性研究广泛,通常采用降阶的方法来处理。已经有过很多数学模型:一维线性、非线性模型14,二维多自由度离散分析模型15等。从所得的吸附临界电压对比来
21、看,一维线性所得吸附电压值最小,而且允许的最大稳定变形量最小。根据现有的实验条件和实验目的,本文采取一维非线性分析模型进行吸附临界电压和允许的最大稳定变形量的求解计算,以达到安全试验的目的。电容模型下平板固定,上平板竖直连一弹簧来模拟薄膜变形的弹性势能,弹簧另一端固定。此模型加电前会有一个平衡状态,通电后模型会在结构能和电场能作用下找到另一个平衡状态。由平衡关系得 (2-4)其中k 为薄膜等效线性刚度,d 为初始膜极距,w为薄膜竖直变形量,U 为加载电压,0空介电常数。由式 2-4可得关于薄膜变形量w的一个一元三次方程,如式 2-5。 (2-5)解得w 0时 d 有三个实根;w =0时d有三个
22、实根,至少两个相同;w0只能获得一个确定的实根。将d归一化后,当时,临界吸附电压为时, w1= w2=1/3,因此稳定成型区间为膜极距的三分之一。对静电薄膜反射镜的动态吸附进行控制,是能够获得较小 F 数稳定反射镜面形的关键。提高薄膜稳定性、防止吸附现象发生,要在两个方面进行控制:(1)计方面可以进行曲面电极设计,增大最大变形的同时提高成形稳定性;或在电极上涂镀绝缘层,吸附之后由于能量损失又迅速断开;(2)控制策略方面可以增加预应力可有效提高薄膜的耐击穿电压并提高薄膜的稳定成形区间;进行薄膜变形原位检测闭环控制,或在控制路里加自感应器、电容、位移传感器等。为了在开环控制条件下安全地进行多电极薄
23、膜反射镜的控制试验,在没有硬件控制的条件下,薄膜面形的最大拉伸量应该控制在膜极距的三分之一,而要获得较大的稳定面形实验,就只能通过增加薄膜的边界预应力来实现。2.3被动影响因素的分析2.3.1膜材制备技术随着先进材料技术的发展,被喻为“解决问题的能手”的聚酰亚胺薄膜材料出现并得到广泛应用。它的面密度能达到0.05Kg/m2,拥有良好的物理性能,拉伸性能十分优秀,能够在极端温度下保持性质不变,很适合太空环境,成为薄膜反射镜材料的首选。早在上世纪60年代, SRS Technologies公司曾经和美国国防部和NASA签订合同大力发展研究大口径光学应用聚酰亚胺薄膜制备技术,此外美国空军研究室也进行
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 静电 拉伸 薄膜 反射 研究
链接地址:https://www.31doc.com/p-3286939.html