摘要:报道了Φ410mm轻型熔石英反射镜的研制概况。首先分析了轻型反射镜对材料的要求,选择了熔石英作主反射镜材料。比较了熔石英反射镜轻量化技术途径的优缺点,选择了高温熔合物封接的技术方案,研究了封接材料和高温熔合物封接技术。开展了有限元结构分析,分析了支撑方式和若干参数对反射镜面形的影响,确定了合理的构参数。应用上述研究结果研制出Φ410mm轻型球面熔石英反射镜和350×248mm异型轻型平面熔石英反射镜。研究了高温150℃,低温-35℃对Φ410mm轻型熔石英反射镜面形稳定性的影响,研究结果实际表明实验前后面形均方根变化ΔRMS<0.01λ(λ=632.8nm),说明面形和结构十分稳定。
引 言
无论是气象预报,资源考察,天文观测,太空探索,还是军事侦察,预警等高科技的发展都需要适合于空间环境使用的高分辨率的光学遥感和照相系统。在这些系统中,主反射镜是关键的部件。
要求达到理想的极限分辨率是光学系统追求的主要目标。光学系统分辨率用下式表示
式中f——焦距;λ——工作波长;D——反射镜口径。
从式(1)中看出,要达到理想的光学分辨率,分辨更小的物体,加大口径D是重要的技术途径。但加大口径后又带来一系列技术经济难题。
首先,反射镜自重以口径D的指数关系增加,用下式表示
式中W——反射镜重量。
因为反射镜自重以口径的三次方关系增加,大口径由于自重引起的面形变化不容忽视。第二,口径增大后,当空间环境温度发生变化时,温度梯度引起象差。由温差引起的热变开σ可用下式表示
由(3)式看出,热变形与口径D的二次方、材料线膨胀系数α和温度梯度ΔT成正比,与反射镜厚度成反比。玻璃态材料达到热平衡时间很长,因热象差影响象质。
第三,由于重量增加,运载发射系统也将加重。通常反射镜自重增加1kg,运载发射系统将随之增加3kg左右,每增重1kg多支出2万美金,因而整体费用大幅度增加。
采用轻重量反射镜在保证加大口径追求理想的光学分辨率前提下,即可有效地减轻重量,又可通过有限元分析选择薄壁结构,提高了刚度,同时有效地缩短了热平衡时间常数,在改进和提高光学和结构稳定性的同时显著地降低了成本。因而研究和应用轻重量反射镜十分重要。
国外关于轻重量反射镜的研究开展得较早,但在材料的选择,结构设计,轻量化技术途径一直在做深入的研究与改进,以达到重量轻,性能好,成本低的目的。国外从本世纪70年代开始研究和应用熔石英和超低膨胀石英轻量化技术,但方法在不断地改进[1～3]。我国为了减轻反射镜重量主要采用在实体反射镜背面或侧面钻孔的方法[4～6],后又发展研究成功用超声波钻孔减重法[7],但都不理想。
为了研制具有重量轻,刚度好,结构和光学稳定的反射镜,我们开展了轻型反射镜制作技术与相关材料研究。本工作目的是研制Φ410mm轻量化熔石英反射镜。
1 轻型反射镜对材料的要求
大型空间光学工程除了要求光学系统达到理想的光学分辨率外,还必须保证在使用周期内,在相对应的环境条件下具有满足要求的光学和结构稳定性。主反射镜是空间光学成象系统的关键光学部件,主反射镜应具有以下特性:1)有符合要求的光学质量;2)重量轻;3)有很好的整体刚性和结构强度;4)在使用环境条件下工作周期内具有稳定的光学面形;5)反射率符合要求,且膜层牢固;6)尽可能低的成本。要保证主反射镜满足这些要求,必须选择具有综合良好性质的材料,结构设计合理,制作方法正确,先进的光学加工和镀膜工艺。
轻重量反射镜能否稳定且具有满足光学要求的面形与反射镜材料的物理、机械及热学性质密切相关,因而合理地选用材料是首先要考虑的问题。对主反射镜材料的基本要求是:1)具有综合的热性质,以保证受热情况下尽快达到热平衡,不产生热畸变;2)密度小,质量轻;3)大的刚度比,外力作用下不易变形;4)易进行光学加工,且能加工成满足光学要求的光学表面;5)材料表面及内部光学均匀无缺陷;6)易镀膜,且膜层牢固;7)成本尽可能低。作为无冷却系统大尺寸主反射镜主要是用玻璃态材料。这类材料包括零膨胀玻璃陶瓷如德国的Zerodur,含钛的超低膨胀石英ULE、熔石英、硼硅酸盐玻璃及光学玻璃K9等。
我们在文献[8～10]中综合分析了这类材料的物理化学性质后指出:零膨胀微晶玻璃、超低膨胀石英、熔石英均具有良好的机械及热学性质,硼硅酸盐玻璃也是较好的材料,其次是光学玻璃K9。我国目前尚难提供大尺寸的ULE,而零膨胀微晶玻璃在大通量高能电子辐照下易变形、因而我们选用熔石英作为反射镜材料。
2 轻型熔石英反射镜制作方法与材料研究
国外开展反射镜轻量化技术起步较早。最早的方法是在实体反射镜背面或侧面用机械加工方法钻孔以达到减轻一定重量的目的。但这种方法只能减重30%左右,不能有效地减重。同时由于侧壁或背部为开口式因而强度低。为了更有效地减重并提高强度和稳定性有必要开展研究直接制作轻重量反射镜的方法。直接制作轻型镜的方法因选用的材料不同而异。本世纪70年代美国康宁公司研制成用熔合法制备熔石英轻型镜的方法。这种方法可使反射镜重量减轻70%,且侧面和背面为封闭式,因而提高了强度。80年代末期又研制出熔合物封接方法,这种方法可使熔石英反射镜减重70～90%,而且强度又提高了。
我国主要采用机械加工钻孔减重,后来又研制了超声波钻孔法,可使反射镜减重50%左右,但背部仍为开口式,也存在着不能有效地减重,强度较低,热平衡时间长等缺点。我们研究了直接制作轻型反射镜方法。研制高温封接材料及封接工艺,选择了另外两种封接材料,用高温、中温、室温三种封接工艺和方法,封接了熔石英捧,用材料试验机测定抗拉强度,表1给出了实验结果。
从实验结果看出,我们研制的3#封接材料采用高温封接方法封接具有最高抗拉强度。因而这种材料和高温封接工艺可用于轻型熔石英反射镜研制。我们用这种方法研制出Φ150mm,Φ200mm,Φ300mm及350×248mm轻重量熔石英反射镜,图1为Φ300mm熔石英轻型反射镜。
3 轻型反射镜的有限元分析
依据光学系统总体要求对轻型结构反射镜进行设计以确定合理的参数是制作轻型镜的第一步。
方敬忠等人研究了若十结构参数对反射镜面形稳定性的影响。提出了设计的两个基本原则，约束条件，建立了儿何模型，进行了有限元分析，主要分析了支撑方式,轻型结构层厚度及板厚度对面形的影响。
3.1 支撑方式对面形的影响
在反射镜底板上对27个结点实施约束,用不同位置构成不同支撑方式,分别选取3区支承,9区支承,周边支承及周边加中部支承4种方式进行有限元分析。表2给出有限元分析时选用的反射镜结构参数。表3给出了有限元设计结果。
从分析结果得知,9区支承变形最小,变形最大的是周边支承。因而,在条件许可时,应优先选择9区支承方式。
3.2 轻型结构层厚度对面形的影响
采用9区支承方式,改变轻型结构层厚度,分析厚度变化对面形的影响规律,轻型结构层厚度分别为20,25,30,35,40,45及55mm。表4给出分析结果。
从有限元分析结果可以看出,相对变形与轻型结构层厚度之间关系是一个多峰值函数。但从整体变化趋势来看,增加轻型结构层厚度将使面形更稳定。
3.3 板厚度对面形的影响
采用9区支承方式,轻型结构层厚度为30mm,改变前面板、后面板、外环、内环及轻型结构隔板厚度研究板厚度对面形的影响。表5给出板厚度,表6给出板厚度对面形的影响。结合表5、表6综合分析,由B1,B4,B7的结果看出,增加前面板厚度不能获得更稳定的面形,因而应结合光学加工技术水平尽可能采用薄面板。由B1,B3,B9及B10的结果看出,增加隔板厚度,变形趋于严重。由B2,B3结果看出,外环厚度的改变对面形没什么影响。
综上所述,在设计时,在镜体重量相近条件下,要提高面形稳定性,应采用适当加大轻型结构层的技术途径。
4 Φ410mm轻型球面熔石英反射镜的研制
依据有限元分析结果,并考虑到光学加工工艺水平确定了Φ410mm轻型熔石英反射镜的结构参数,在表7中给出。
Φ410mm球面轻型熔石英反射镜的工艺技术途径如图2。
采用高温熔合物封接技术及相关的封接材料研制出的Φ410mm轻型熔石英反射镜,如图3。
5 温度对面形稳定性的影响
我们研究了高温200℃,低温-40℃,两年时效,高能电子高能质子辐照,10～2000Hz,3g的冲击震动对用同样方法制作的轻型熔石英反射镜面形和结构稳定性的影响,结果表明[12]具有满足光学要求的光学稳定性和良好的结构稳定性。为了研究温度对Φ410mm轻型熔石英反射镜的影响,我们首先对该反射镜进行了初步的光学加工。用ZYGO MarkⅣ干涉仪测量了面形,图4及表8给出测试结果。
进行高温实验方法是:将光学加工后的Φ410mm轻型熔石英反射镜在室温时放入电热鼓风干燥箱中,开始升温,到达150℃时在150℃保温两小时,在干燥箱中闭电降温,降至室温后取出测定面形,图5及表8中给出结果。
低温实验在LHDI-70立式高低温箱中进行。将高温实验后的Φ410mm轻型熔石英反射镜在室温放入低温箱中,开始降温,降至-35℃,在-35℃下保温两小时,然后自然升温,至室温取出测量面形,结果在图6及表8中给出。
研究结果表明,面形稳定性很好,高低温实验前后面形均方根变化<0.01λ。
结果语
研究了Φ410mm轻型熔石英球面反射镜制作技术,制出Φ410mm轻型球面熔石英反射镜,并研究温度对面形稳定性的影响。研究结果表明:
(1)分析了制作轻重量反射镜对所用材料物理、机械和热学性质的要求,选择了光学熔石英作反射镜基本材料;
(2)分析了制作轻型镜各种技术途径,研究成功了具有高强度的封接材料和工艺方法;
(3)应用有限元分析结果,确定了Φ410mm轻型反射镜结构参数;
(4)应用所研究的方法和材料研制Φ410mm轻型结构熔石英球面反射镜;
(5)150℃及-35℃实验表明,面形均方根变化ΔRMS<0.01λ(λ∶632.8nm),面形和结构稳定;
(6)Φ410mm球面熔石英反射镜重量仅为4.75kg,有效地减轻了重量,减重达70%。上述反射镜有广泛的应用前景。
致谢:毛绍伯、王定武、游元成、龚攀云、谢才清等同志参加了本项研究工作。史杏芳制定了光学加工工艺,高平起承担了轻型反射镜光学加工。周桂绵参加了低温实验,饶学军提供了面形测试结果。本工作从开题到结束得到中国工程院院士姜文汉的指导和支持,作者向上述同志表示感谢。
参考文献
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11 方敬忠,齐亚范.若干结构参数对轻型反射镜面形光学稳定性影响的有限元分析.见国家高技术计划信息获取与处理技术专家组编,自适应光学望远镜技术.1996.3:286～296
12 齐亚范,方敬忠,谢才清,毛绍伯.环境条件对轻型熔石英反射镜光学质量影响的研究.高技术通讯,1993,(1):11～14
863高技术研究计划资助研究项目。
作者简介：
齐亚范:男,1936年5月生,1962年毕业于天津大学硅酸盐专业。研究员,中国科学院光学学会光学材料专业委员会委员,中国稀土学会玻璃、搪瓷、陶瓷专业委员会委员,中国硅酸盐学会特种玻璃分会委员,从事光学材料研究。是“原子弹爆炸条件下光学玻璃辐射效应研究”(1965年记三等功)、“含钛燧石玻璃系列”(获1983年国家经委金龙奖)、“镧系玻璃漏注工艺研究”(获1986年中国科学院科技进步奖三等奖)、“轻型熔石英反射镜”(获1993年中国高新技术、新产品博览会高新技术项目金奖)等项目的负责人之一。国务院政府特殊津贴获得者,国家科委“八五”先进工作者。
方敬忠:男,1955年6月生,1982年毕业于武汉工业大学无机材料工程专业。研究员,从事材料合成与材料物理学研究,曾获两项发明专利权。
