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，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。
科学问题课题设置课题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研究成果技术验证空间光学先进制造基础理论及关键技术研究问题一：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SiC材料极度轻量化镜体高稳定、低损伤制造方法和工艺课题3：复杂光学面形超精密加工的展成控制问题二：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超精密磨削力位混合数控系统课题4：空间光学镜面的低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问题三：空间光学元件多场耦合作用下误差分离测量原理全频段误差一致性收敛的纳米精度光学镜面成形方法和工艺以我国重大专项中典型大镜为对象，进行工艺验证，面形精度达到λ/70 RMS，表面粗糙度1～2nm RMS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空间光学元件天地一致性装夹与测量技术空间光学元件的新一代制造理论· 制造新原理和新方法· 支撑高分和载人航天专项· 突破关键装备和工艺· 建立技术平台提升空间光学制造水平 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