Analysis of Thermal Deformation on a Honeycomb Sandwich CFRP Mirror

Abstract

Thermal deformation analysis was performed on a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) mirror with sandwich structure. To obtain unexpected asymmetry of the surface sheet, we investigated the deformation of a quasi-isotropic laminate under hot and humid conditions. Despite the symmetric lay-up, quasi-isotropic laminate deforms into twisted saddle shape with time, and this deformation could be simulated by assuming ply angle misalignment. Then, the elastic moduli of honeycomb cores were calculated theoretically. A honeycomb sandwich mirror model was constructed by adopting a sheet model and using honeycomb elements. The thermal deformation analysis was performed considering the ply angle misalignment. The test results clarified that the deformation of the surface sheet was a critical factor in the dimensional stability of the CFRP mirror.

Time-dependent deformation of surface geometry on light weight and thermally stable CFRP mirror in humid environment

“…The flatness of the mirror was 700nmRMS for 60×45mm area. This geometry might be due to the ply angle misalignment that cannot be removed (9) , or the residual stress during the fabrication process (10), (11) . The geometry of the mold can't be obtained precisely in CFRP mirror, because of the reasons mentioned above.…”

Out-of-Plane Deformation due to the Ply Angle Misalignment in CFRP Laminates (The Effect of the Stacking Sequence on Thermal Deformation)

“…CFRP は比剛性に優れ， かつ熱膨張率も極めて低いため， 望遠鏡等の精密構造物に用いられている． 地上望遠鏡では， 大型化に伴う自重変形の低減や， 重量の増大による駆動機構への負担を低減させるため， 望遠鏡の支持構造として CFRP の採用が検討されている (1) ．また，宇宙用構造体では，打ち上げの重量制限があるため，軽量化を図れる CFRP が駆使 されている． CFRP の寸法安定性に関する問題は，大きく二つに分けられる．一つは望遠鏡の支持構造等に用いられるパイプ等の 面内方向，あるいは軸方向の寸法変化である．実際に太陽観測を目的として打ち上げられた SOLAR-B の支持構造は， 1.5m の長さで 10℃の温度変化があった場合でも，変形を 1µm 以内に抑えこむ必要があると報告されている (2) ．この面 内方向の熱膨張，もしくは吸湿膨張の研究に関しては，Ozaki らが精力的に研究を行っており，高精度の CFRP パイプ が開発されている と最小変位(負)の差である． λ/8 はレーリー・リミットと呼ばれ，この値を超えた変形を示すと，反射望遠鏡の分解 能が大きく低下することが知られている (5) ．CFRP ミラーの開発も積極的に行われており，CFRP ミラーの表面の平滑化 は達成されたものの，温度変化による予想外の面外変形が問題となっている (6)- (9) ．一般的に CFRP 積層板は中央面に対 称となる，対称積層板として用いられる．しかしながら，積層誤差が存在することで，厳密には非対称積層板となり， 温度変化や吸湿により面外に変形する．著者らは，この面外変形に関して詳しく調査を行い，層の配向誤差によって， ミラー面が大きく変形することを解析的に明らかとしている (10) ．また，層の配向誤差は，積層させる工程の際に生じる ものと考えられるが，熟練者が注意深く積層したとしても，標準偏差で 0.4°程度は取り除くことの出来ない誤差として 内在する (11) ．この非対称性により CFRP は予想外の面外変形を示す．CFRP の特性を活かすためにも，配向誤差による…”

High Accurate Space Telescope Mirror Made by Light and Thermally Stable CFRP

“…The fiber misalignment can cause unexpected out-of-plane deformation with temperature change which accompanies necessarily with cooling from curing temperature to room temperature. For the purpose of minimizing the fiber misalignment in the laminate, this complicated laminating method is employed in the present study because this laminating method can offset reasonably a local fiber misalignment even when there is a fiber-misaligned ply (5,6) . Second (#2), we prepared the back sheet part.…”