空间光学系统反射镜轻量化技术综述

　　1　引　言

　　随着空间科学技术的不断发展,反射式光学系统得到了越来越多的应用。为了满足用户对观测分辨力和成像质量越来越高的要求,需要采用更长焦距、更大口径的光学系统,而口径增大是光学仪器体积增大和重量增加的主要因素,系统的惯量也随之增加,给整个系统的工作带来了不利影响。由于光学系统是空间遥感的重要有效载荷,其质量的大小直接决定了发射成本和工作性能的高低,因此必须在保证动、静态刚度和强度的前提下对空间光学系统结构进行最大程度的轻量化。其中反射镜的轻量化是整个系统轻量化最基本最重要的环节。

　　反射镜轻量化的实现途径分为以下两个方面:一是选用性能优良的材料;二是选择有效的轻量化结构并确定最优的结构参数[1]。

　　2　反射镜材料

　　2.1　空间光学系统对反射镜材料性能的要求

　　空间光学系统反射镜应能通过光学加工获得符合系统质量要求的光学面形;反射镜在工作过程中应能保持其光学面形精度。现对反射镜材料提出了一些共性要求[2]：

　　(1)材料热物理性能。选用低膨胀系数的材料,有利于制得稳定的反射镜。同时希望反射镜材料具有良好的导热性能,这两种性能的结合有利于消除反射镜体中的温度梯度,使反射镜较快地实现热平衡。

　　(2)材料力学性能。材料应具有高弹性模量、低密度,这有利于减轻反射镜的质量。

　　(3)材料光学可加工性能。镜坯材料必须能适应光学面形加工的要求,采用已有的或经改进的光学加工方法可以实现光学表面制作,为此,镜坯材料应微观结构均匀。同时,反射镜一般都需要镀覆光学反射膜,镜坯材料应能经受光学镀膜的工艺条件且易于与反射膜结合。

　　(4)材料化学稳定性和安全性。

　　2.2　现有反射镜材料及其性能

　　到目前为止,光学反射镜材料已经发展到第四代。第一代是光学玻璃,以微晶玻璃为代表;第二代为金属材料,以金属铍为代表;第三代为碳化硅(SiC)陶瓷材料;第四代包括各种新型复合材料。表1列出了轻型反射镜材料的性能参数[2～4]。

　　为了对各种材料的综合性能进行比较,引入下面的品质因数:

　　(1)材料比刚度,其定义为材料弹性模量与密度之比。材料比刚度是用来评价材料力学性能的指标,在可比条件下,材料比刚度高可实现更高的反射镜轻量化率,结构对振动、冲击也具有更强的抵抗能力;

　　(2)材料稳态变形系数,其定义为材料热膨胀系数与热传导系数之比。材料稳态变形系数是用来评价材料热物理性能的指标,在可比条件下,材料稳态变形系数越低,反射镜对热载荷的承受能力越强,这有利于保持面型的稳定。