Carbon fiber composites has higher specific strength and specific stiffness compared to the conventional metals, making it favorable for lightweight design. However, achieving the required level of surface accuracy and stability has been challenging, have limited its application in optical mirror fabrication. In this paper, diameter of 200mm carbon fiber composite aspherical mirror was optimized for reducing its mass and WFE. To reduce computational time, design of experiments (DOE) and the Kriging method were used to construct meta-models, and multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) was employed for optimization. Optimal design of the mirror model was determined based on the knee point obtained from the Pareto front. Compared with the initial design model, the mass reduced by 45.3%, and the WFE reduced by 32.5%. The proposed optimization design method and results can serve as a reference for the development of carbon fiber composite mirrors.

탄소 섬유 복합재는 일반 금속 대비 비강도(specific strength)와 비강성(specific stiffness)이 높아, 경량 설계에 유리한 재료이다. 그러나 필요 수준의 표면 정확도와 안정성 확보에 어려움이 있어, 광학 반사경 제작에 적용하는 데 한계가 있었다. 본 연구에서는 직경 200mm의 탄소 섬유 복합재 비구면 반사경을 대상으로 질량과 파면 오차(WFE)를 최소화하는 최적화 설계를 수행한다. 계산 시간을 줄이기 위해 실험계획법과 크리깅(Kriging) 기법을 사용하여 메타모델을 구축하고, 다목적 최적화를 위해 다목적 입자 군집 최적화(MOPSO)를 활용하였다. 반사경의 최적모델은 파레토 전선에서 도출된 무릎점(knee point) 데이터를 기반으로 결정되었으며, 그 결과 초기 모델 대비 질량은 45.3%, WFE는 32.5% 감소하였다. 본 논문에서 제안된 최적화 설계 방법과 결과는 탄소 섬유 복합재 반사경 개발에 대한 참고 자료로 활용될 수 있다.

Keywords: 탄소 섬유 복합재(Carbon fiber composite), 비구면 반사경(Aspherical mirror), 파면오차(Wavefront error), 크리깅(Kriging), 다목적 입자 군집 최적화(Multi-objective particle swarm optimization)