0 引言
随着高科技的发展和航天航空与国防建设的需要,对光学反射镜的要求越来越高,重量轻、分辨率高是目前追求的重要技术指标。以美国和俄罗斯为主的一些科研单位提出了用镀铝聚酰亚胺薄膜制作反射镜的设想,这种反射镜比光学玻璃、铍等材料制成的传统反射镜具有更明显的优势:质量非常小,可制成大孔径系统,解决反射镜孔径和重量相互制约的问题;其柔韧性较好,可以折叠成很小的体积,满足运载火箭承载空间的要求;通过面形控制和调节光学系统各元件的间距,可以很容易实现变焦距或制成离轴系统;与其他材料反射镜制备过程相比,聚酰亚胺薄膜反射镜的加工制造成本较低,周期较短。本文将对聚酰亚胺薄膜反射镜的性能特点、制备方法、像差校正、研究现状和国内开展此研究的可行性等分别进行了讨论。
1 聚酰亚胺薄膜的制备
1.1 聚酰亚胺薄膜的材料特性
聚酰亚胺(PI)分为热固性和热塑性两种,工业上最常用的均苯型聚酰亚胺属于热塑性[1~3]。由于聚酰亚胺分子中具有十分稳定的芳香环结构,使其体现出其他高分子材料所无法比拟的优异性能:耐高温和低温性,由联苯二酐和对苯二胺合成的PI,热分解温度可达600℃,是迄今为止聚合物中热稳定性较高的品种之一。在这种温度下,短时间内基本上可以保持原有物理性能,可以在333℃以下长期使用,在-269℃下仍不会脆裂;机械强度高,均苯型PI薄膜的抗拉强度可以达到170MPa,而联苯型可以达到400MPa,且随温度的变化很小;耐辐射性好;介电性能优异;化学性质稳定,耐酸、碱;另外,PI抗蠕变能力强,摩擦性能优良,具有良好的韧性和柔软性。
美国NASA正在研制的新一代空间望远镜(JWST)[4]具有对红外成像的能力,为了保证望远镜在太空中不受太阳热辐射和宇宙射线的影响,使望远镜成像系统在50K以下的温度下工作,NASA为NGST做了一面巨型遮挡伞(如图1),薄膜材料初步选定聚酰亚胺,并模拟太空环境对聚酰亚胺的性能进行了测试。
实验环境:宇宙太阳风(包括高能电子、质子和重原子等)、紫外线辐射(其强度相当于航天器在10年内接受的强度)。实验过程中考虑了装卸、折叠和空间展开等对薄膜性能的影响。待测性能:机械性能(拉伸强度、抗撕裂强度、弯曲强度等)、耐热性能和耐紫外线、原子等宇宙辐射性能。
研究者已经证明[5~8],当温度在-187~+127℃之间变化时,聚酰亚胺的各项机械性能、耐辐射性能变化不大,完全可以满足制作遮阳伞的条件。
1.2 聚酰亚胺薄膜的制备
如前面所述,聚酰亚胺的机械性能、耐热性、耐辐射性等均满足制备反射镜的条件,决定聚酰亚胺薄膜能否制备出满足光学要求的反射镜的关键影响因素是薄膜的表面粗糙度(大约为中心波长的1/200~1/500rms)、厚度均匀性和材料均匀性[9]。目前主要的薄膜制造方法有压铸法、薄膜铸塑法、离心(旋转)铸造等。美国科学研究学会(SRS)研制了满足大型反射镜光学要求的CP2N型号的聚酰亚胺薄膜[10],美国空军研究实验室通过实验证明直径279.4mm、厚20μm的CP21薄膜的表面粗糙度为0.3λrms(λ=633nm),薄膜的厚度变动量为0.05λrms[11]。用此种薄膜制成的反射镜,附以像差校正机构,可以制备出满足光学成像要求的光学系统。CP21薄膜的面密度大约为18g/m2,如果利用超轻可折叠展开机构支撑(其面密度大约为1~2kg/m2),则用此薄膜制成的孔径为10m的反射镜主镜的面密度大约为2~3kg/m2,与用传统材料制成的反射镜相比,如哈勃望远镜(主要由精密绗架结构和厚的玻璃主镜组成,孔径2.4m,总重量12000kg,面密度2500kg/m2),其优势非常明显。
2 聚酰亚胺薄膜反射镜的制备
聚酰亚胺薄膜反射镜的制备方法可以分成不同的种类,如表1所示,IN2STEP可充气膨胀天线就属于充气式结构。
2.1 气压式反射镜
气压式反射镜有两种,一种是在薄膜非工作面一侧形成真空区,通过改变真空区的真空度,利用薄膜工作面一侧的大气压使薄膜变形;另一种是充气式反射镜,如图2,它由两个基本的单元组成,即可充气膨胀反射镜组件和圆环/支柱支撑结构。反射镜组件由反射镜薄膜和遮蓬组成密封系统,内部充入气体,利用气压控制反射镜的面形,遮蓬是透明的,它对光的吸收率、散射和折射率都将影响反射镜的成像质量。圆环/支杆结构分别由具有一定刚度的柔性材料制成,提供反射镜组件的边缘支撑,没有这个圆环,反射镜组件在充气膨胀时将取球形。反射镜部分通常被金属化以反射和聚焦太阳能或RF能,这些结构通常需要5~10年的寿命,在此时间结构必须维持它的强度、形状和表面精度。充气膨胀结构相对比较简单,容易制造,其密封性和内部气压的控制是制造难点,而且在轨道上维持长时间形状稳定很困难。
James C.Pearson J.等根据充气膨胀技术制成了直径4m的太阳能收集器[12]。美国空军研究实验室制成了直径分别为5m和10m的充气膨胀抛物面反射镜[13]。
2.2 静电拉伸反射镜
静电拉伸反射镜的面形由加在薄膜表面上的静电力控制,如图3[14]。美国亚利桑那大学正在进行静电拉伸薄膜反射镜的设计(SMEC)[9,15],镜片由平面或曲面的10μm厚的CP21聚酰亚胺薄膜制成。SMEC的主要原理是用静电压力使薄膜反射镜形成并保持一定的形状,可以通过薄膜周边的微制
动器如压电陶瓷调节薄膜横向刚度,改善成像质量,减小像差。用直径152.4mm的延展薄膜平面反射镜和曲率为32m的曲面反射镜分别做试验,平面反射镜中心附近76.2mm范围内的面形差可达到波长的1/10,中心101.6mm范围内的面形差可达到波长的1/20;曲面反射镜同样也取得了很好的实验结果。
2.3 平面薄膜拉伸反射镜
此种方法制成的曲面反射镜的光圈数相对较大,薄膜制造方法相对简单:周边支撑且施加横向拉伸力以提高薄膜的横向刚度,在薄膜的工作面或工作面的背面施加压力(可用充气或静电拉伸方法实现)改变反射镜面形。
2.4 预成形拉伸反射镜
在不施加任何外力的情况下,通过某些技术方法将薄膜制成一定的形状,如理想球面或抛物面。由于薄膜本身的刚度太小,在惯性力作用下薄膜将不会保持制成的理想形状,通过在薄膜的表面和周边施加微小的作用力可使其恢复理想曲面。此种方法制造的反射镜的主要优点是光圈数相对较少,所需的控制力小。Sergei A. Dimakov等[14]使用模冲压法制备了孔径为190mm、曲率半径为400mm的预成型薄膜,并通过实验证明了利用气压或静电场可以修正预成型薄膜反射镜的面形误差和光学畸变。
3 像差校正
在气压或静电力作用下,由于聚酰亚胺薄膜本身的厚度不均匀、材料不均匀等以及外界条件的影响,薄膜产生的面形不一定是完善的球面、抛物面或其他光学面形,因此需要对其进行像差校正。
美国亚利桑那大学设计的静电拉伸薄膜反射镜(SMEC)[15],可以通过薄膜周边的微制动器如压电陶瓷调节薄膜横向刚度,改善成像质量,减小像差。
美国空军研究实验室[16,17]和前苏联的激光物理研究所[18]提出用全息修正技术补偿像差的方法构建超大口径轻量望远镜,如图4。这种方法可以减小可探测光的光波波段,大幅度减小面误差,满足成像性能要求。全息技术修正薄膜望远镜由两个主要部分组成,即带有像差的主镜和全息技术修正系统。用这种方法可以研制出孔径大于10m的抛物面、球面或任何二次曲面的反射镜和折射镜。实验证明,用此方法修正后的反射镜的焦点直径可以达到7.5μm,参考光束和重建后参考光束干涉条纹的波阵面像差为1/4波长,满足衍射极限要求。
4 技术难点
大型聚酰亚胺薄膜反射镜的制备是近几年根据空间光学的发展而提出的新课题,技术方面大多处于试验阶段,还存在许多技术难题,比如满足光学镜面要求的薄膜的制备、面形控制、薄膜的支撑和展开、像差校正等,其中最主要的是面形控制和反射镜的支撑展开。
4.1 面形控制
拉伸薄膜反射镜的面形和曲率主要由薄膜拉伸力和材料特性决定。外载荷作用下薄膜反射镜的变形可以简化为轴对称圆薄膜的大变形问题,按照由板壳理论可以推导出均匀力场下的薄膜变形方程,即Hencky曲线[19],对Hencky曲线和球面或抛物线曲线进行对比可知,拉伸薄膜反射镜的基本问题是:其面形既不是球面也不是抛物面。所以确定薄膜变形所需的力场是薄膜反射镜设计的难点。气压式薄膜反射镜的面形主要通过控制气压强度调整,静电拉伸薄膜反射镜相对比较灵活,可以通过改变电极形状、间距和电压强度等改变电场强度和分布形式,以控制薄膜面形。图5[9]是静电与气压联合拉伸结构的力学简化模型,其中q(x)代表薄膜上表面施加的力场,ω(x)代表变形量,D为圆薄膜直径,d(x)代表薄膜与电极的间距。
Simona等[9]根据静电场库伦法计算得到:当薄膜直径等于154.2mm、薄膜与电极间距等于1.5mm时,1090V的电压可以产生4.64Pa的压力,薄膜变形后曲率半径为32m。在如此高的电压下,薄膜与电极之间很容易产生电弧,损伤薄膜,所以如何防止电弧放电损伤薄膜是静电拉伸结构需要考虑的又一个问题。
4.2 支撑、展开机构
在空间环境因素下,反射镜的面形变化将导致光学元件的波前畸变或破坏光学成像质量及光学性能。对于空间小像差系统,使用结构变形引起波面误差的方法来评价面形质量。基于光学系统较高的波差要求,支撑方案应尽量满足光学设计要求,以利于促动器调节。根据光学系统及反射镜的自身要求,支撑方案应必须具有特殊性和合理性。
由于反射镜属于中型超薄镜坯,边缘较薄,所以既不适于边缘涂胶胶接形式,也不适于边缘设置支撑构件。此外,由于镜面较薄,不适于背部构造支架支撑。因此,支撑和展开方案是薄膜反射镜设计并应用的难点之一。
5 聚酰亚胺薄膜反射镜的应用领域
鉴于聚酰亚胺薄膜反射镜的超轻质量、可折叠结构、超大孔径和面型的可控性,它将主要用于太空领域的太阳能收集和利用,以及轻量、巨型望远镜系统的主镜。
人造月亮是人们利用薄膜反射镜的首次尝试。它能百分之百地反射太阳光,在夜间把太阳光反射到地面,为城市和野外活动提供照明。1993年2月4日,俄罗斯首次在太空试验人造月亮。人造月亮可以看作是小型化的平面镜太阳能聚束装置,是人类在天基平台直接利用太阳能走出的第一步。
1924年,俄国航天事业的先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和其同事弗里德里希·灿德尔明确提出了“用照到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”的设想。装有太阳帆的航天器以阳光作动力,不需要火箭也不需要燃料,只要展开一个仅有100个原子厚的巨型超薄航帆,即可从取之不尽的阳光中获得持续的推力飞向宇宙空间。它飞行起来很像大洋中的帆船,改变帆的倾角即可调整前进方向。而且只要几何形状和倾角适当,它可以飞向包括光源在内的任何方向。借助阳光的推力,这种航天器可以飞向太阳系的边缘并进入星际空间,如果辅以从地球轨道射出的强力激光束,它可以飞得更远,直至到达离太阳系最近的恒星。
太阳能发电卫星的构想是由美国宇航局的科学家们于1979年提出的。其基本思路是利用空间源源不断的太阳光产生地面上的基本负荷电力,实现途径是位于地球轨道的各种结构的巨大的太阳能电池阵收集太阳能并将其传递到地面,在那里将其转化为电能。由于太空不存在云层对太阳光的遮挡,即使在夜间也可以发电,比在地面利用太阳能发电效率要高得多。因此,这个方法将永久性地解决人类能源短缺的问题。此外,由于宇宙太阳能发电不会排放出二氧化碳,亦被科学界认为是未来最理想的发电方式。日本目前已制定了《实现宇宙太阳能发电试验草案》。该草案对利用宇宙太阳能发电的构想进行了再次定位。
IN2STEP可充气膨胀天线的结构的构思来自于L’Garde公司,该公司过去25年来一直从事设计、制造地面和飞行试验的充气膨胀空间结构。NASA赞助的IN2STEP可充气膨胀天线试验,已于1996年5月29日搭乘在STS277上飞行。
美国能源部圣地亚国家实验室、肯塔基大学、亚利桑那大学、NASA、Honeywell实验室和Honeywell空间系统、前苏联激光物理研究所等机构[20~23]正在研制用于可见光和近红外望远镜成像的聚酰亚胺薄膜反射镜的制备,在聚酰亚胺薄膜的制备、反射镜面形控制、像差校正等方面都积累了很多经验。
6 国内开展该研究的可行性及主要问题
目前,国内还没有单位对静电拉伸聚酰亚胺薄膜反射镜进行系统研究,对充气式薄膜反射镜的实验性研究也没有结论性的文章发表,因此在国内开展聚酰亚胺薄膜反射镜的研究具有重要意义。成像机理、控制机理、支撑展开等是聚酰亚胺薄膜反射镜设计、构建的关键技术,是研制薄膜反射镜的基础。结合国外已有的研究成果,研究并掌握这些关键技术是目前国内开展该研究需要解决的主要问题。
7 结束语
随着空间光学技术的发展,探测器的分辨率不断提高,大孔径、轻量、可折叠式反射镜的设计和制造将成为未来反射镜发展的重点。聚酰亚胺薄膜反射镜以其优良的物理、机械以及热学性能,将会受到越来越多的重视。目前,美国空军研究实验室、前苏联激光物理研究所和美国国家航空和宇宙航行局(NASA)等国外科研单位都在进行聚酰亚胺薄膜反射镜的研究。国内在该领域的研究很少,几乎没有进行过系统研究,因此对此问题进行研究具有重要意义。
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作者： 齐迎春:女,1979年生,博士研究生,主要从事空间薄膜反射镜成像机理的研究 Tel:043126176162 E2mail:qiyingchun0304@tom.com
