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10μm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λ/70 RMS，表面粗糙度达到RMS 1～2nm，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λ/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λ/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。