采用机械钻铣轻量化技术的轻型镜研制

　　引 言

　　随着机载光学系统、空间光学系统和天文观测望远镜主镜口径的不断增大，一系列的技术问题需要解决。一方面，反射镜因自重而引起的镜面变形严重影响到系统成像质量，反射镜的重量也严重影响到机载光学系统、天文观察系统跟踪、监测的灵活性与机动性。对于空间系统来说，反射镜的自重不仅增大了发射成本，而且更增大了发射技术难度。另一方面，反射镜因环境温度变化及镜体温度梯度的出现而产生的镜面热膨胀变形也明显增大，严重地影响着系统的热稳定性，这种情况在空间光学系统中尤为突出。为了减小这些不利影响，人们发展了轻量化技术。

　　目前，国内外轻量化技术研究主要途径可分为三类：即浇铸成型法、高温熔接法或熔接物封接法、机械钻削减重法。各种方法都各有特点，互有优势。前两种方法虽然减重效率明显，但它在工艺上较复杂，采用在背部钻孔的轻量化设计方案，工艺较简单。机械钻削是较早使用的轻型镜制作方法，它是通过机械钻削方法，将镜子的多余部分去除，以实现镜子的轻量化。采用这种方法加工的轻型镜通常是背部开放型结构。在采用数控铣床进行轻量化以前，这种方法由于钻削工具容易使轻量化孔受到挤压而使镜坯受损，所以设计轻型镜结构时，反射板与轻量化孔的壁的厚度不能很小，限制了镜子的减重率。随着数控技术的发展，采用数控车床进行铣孔加工，可提高轻量化孔的形状精度和加工作业的可靠性，这种方法加工的轻型镜的减重率得到了很大的提高，如德国 Schott 公司采用数控切削并辅之以酸蚀减薄的方法，将轻型镜的减重率提高到了 85%。现在机械钻削法仍是一种常用的反射镜轻量化方法。

　　1 轻型镜材料选取

　　轻型镜材料的选取主要应考虑这么几个方面：刚性，热稳定性，化学稳定性，操作安全性与加工质量。现有的材料很难同时达到这些性能要求，选择材料时必须综合比较，选出尽量满足系统性能要求的材料。目前，国内外常用的轻型镜材料有熔石英(FS)、微晶玻璃(Zerodur)、K9、铍(Be)、铝(Al)、钛(Ti)、碳化硅(SiC)等等，铍的导热系数大，容易实现均匀的温度分布，材料比刚度大，能实现很高的轻量化率，是一种比较好的镜体材料，但由于它的剧毒性使其制造与应用受到了一定的限制。铝易于加工，成本低，但热膨胀系数大，通常用于温度变化不大、镜面面形要求不高的情况。熔石英加工性能好，但价格昂贵，而且做成大口径的镜坯较困难。微晶玻璃的比刚度较大，热变形小，价格相对便宜，比较适合做大口径的反射镜。其它材料也是各有优缺点，需根据实际需要选用。各材料的的属性如表1 所示。