空间反射镜基底材料碳化硅表面改性研究

直接抛光后的SiC反射镜表面光学散射仍较大,无法满足高质量空间光学系统的心用需求.为此必须对SiC反射镜进行表而改性,以获得高质量的光学表面.目前国际上较为流行的足制备Si或SiC改性层进行表面改性.分别采用离子辅助电子束蒸发方法制备Si和SiC改性层进行改性,相关测试结果表明:Si改性层结构为立方相,改性后基底表面粗糙度(rms)降到0.620 nm,散射系数减小到1.52%;SiC改性层结构为非晶相,改性后基底表面粗糙度(rms)降到0.743 nm,散射系数减小到2.79%.两种改性层均与基底结合牢固,温度稳定性较高.从可靠性方面考虑,目前在国内第一种方法更适于实际工程应用.该工艺改性后SiC基底表面散射损耗大大降低,表面质量得到明显改善.镀Ag后表面反射率接近于抛光良好的微晶玻璃的水平,已能够满足高质量空间光学系统的应用需要.     

表面改性碳化硅基底反射镜加工技术现状

针对表面改性SiC基底反射镜在空间光学系统中的应用,总结了该类反射镜在国内外的研究现状。概括了碳化硅基底反射镜的发展趋势。介绍了常用的碳化硅材料,分析了它们的性质。给出了几种常用的碳化硅镜坯制备工艺,包括成型、改性和不同的抛光技术。通过对国内现有加工工艺和改性技术的分析,总结出了适应我国的表面改性碳化硅反射镜加工的发展方向。     

大口径轻质SiC反射镜的研究与应用

介绍了大口径轻质碳化硅反射镜镜坯的基本结构、性能测试指标、国内应用及发展前景;阐述了碳化硅凝胶注模成型（Gel-casting）、反应烧结SiC（RB-SiC）与压力成型、常压烧结SiC（SSiC）两种国内主要制备大口径轻质碳化硅反射镜的方法;并对两种方法制备得到的ø1.45 m碳化硅镜坯的性能、测试数据及光学加工后的光学特性进行分析和比对,提出存在的问题,以供商榷,进而促进国内大口径轻质碳化硅反射镜的研究和发展。     

大口径碳化硅轻质反射镜镜坯制造技术的研究进展

比较了目前空间遥感相机中常用的四种反射镜镜体材料——ULE,Zerodur,铍(Be)和碳化硅(Sic)的各项性能。结果表明:SiC陶瓷具备比较明显的综合优势,是制备空间用反射镜的最佳候选材料。阐述了碳化硅反射镜镜坯的四种制备工艺。介绍了当前国内外碳化硅质轻型反射镜镜坯的发展情况。     

大口径碳化硅反射镜轻量化结构与镜坯成型

大口径光学反射镜的材料选择与研制一直是空间光学系统的主要核心技术,采用凝胶注模成型(Gel-Casting)技术一次性完成1.45m碳化硅反射镜镜坯成型,再经1 700℃反应烧结得到一块完整的碳化硅镜坯。介绍了大口径轻质碳化硅反射镜镜坯的基本结构,系统阐述了SiC反射镜镜坯的制备工艺。结合金相显微镜、XRD物相分析及力学性能测试对SiC镜坯的组织结构进行分析,测试数据表明:1.45m碳化硅反射镜镜坯的密度≥3.0g/cm3,抗弯强度≥330 MPa,弹性模量≥340GPa,轻量化率74%。碳化硅反射镜镜坯的力学性能均能满足空间光学系统设计的要求。     

两种常用碳化硅反射镜基底表面改性的研究

利用霍尔离子源辅助电子束蒸发方法,分别在反应烧结碳化硅(RB-SiC)和常压烧结碳化硅(Sintered SiC,S-SiC)基底材料上制备了Si改性膜层,并进行了相关性能测试和分析。经过表面改性,两种基底的表面粗糙度(rms)大幅地降低,镀银后的反射率有较大地提高,基底表面光学质量已满足工程应用要求。在相同工艺条件下,S-SiC基底改性后效果好于RB-SiC基底的情况,主要是因为Si膜在两种基底表面生长情况不同所致。     

空间遥感器中大口径SiC主镜的轻量化设计

考虑到反射镜质量、尺寸对载荷敏感度、加工困难程度和总成本的影响,阐述了对空间遥感器大口径主镜进行轻量化设计与优化的必要性。叙述了主镜轻量化技术的一般规律,对几种轻量化方式进行了比较并给出了网格筋大小的确定公式。结合具体工程的主镜设计,针对SiC材料的空间反射镜提出了一种背部半封闭、三角形孔的轻量化形式,用迭代方法完成了轻量化设计,并制作了660 mm轻量化SiC反射镜。提出的设计方式解决了单种轻量化方式存在的不足,使单镜满足了质量小、刚度大的要求,为今后大口径SiC主镜的轻量化技术提供了借鉴和参考。     

光电系统中铍反射镜的发展与应用

综述了光电系统中铍反射镜常用材料的特性、加工方法、发展现状及最新应用。首先,介绍了目前国外铍反射镜常用材料的性能,铍反射镜基底制备、机械加工和光学加工等方面的发展现状。然后,以詹姆斯韦伯太空望远镜和F-9120航空远距离可见/红外双波段侦察相机为例,重点介绍了铍以及铍铝合金在空间和航空光电系统的反射镜及光机支撑结构上的最新应用。最后,对铍和铍铝合金在光电系统中的未来发展和应用前景提出了展望。     

空间SiC反射镜背部中心支撑特性

基于特定的轻量化形式和支撑结构,采用有限元方法研究了口径为500mm的空间SiC反射镜的背部中心支撑特性.通过分析镜体结构参量对反射镜性能的影响,确定了最佳的支撑孔直径与反射镜口径的比例为0.23,指出对不同口径的反射镜需通过优化确定最佳的背部形状,当重力沿径向作用时,增大支撑深度有利于提高面形准确度.支撑结构分析结果表明,柔性连接件底部螺栓圆半径是影响温变载荷工况下的面形准确度和反射镜组件的一阶固有频率的关键因素,要确定最佳的底部螺栓圆半径需综合考虑面形准确度和结构基频两方面的指标要求;背部中心支撑的反射镜面形准确度受外界装配应力的影响较小,且对柔性连接件切槽深度的变化不敏感;支撑长度主要影响结构的动态刚度,减小支撑长度能提高反射镜组件的一阶固有频率.最后确定了空间SiC反射镜背部中心支撑的最大适用口径为750mm,对口径小于750mm的SiC反射镜在结构允许的前提下采用背部中心支撑均能满足设计要求.     

大口径碳化硅反射镜面PVD改性工艺的研究

通过将多块不同尺寸的碳化硅平面试片以及一块口径为520mm碳化硅凹非球面反射镜作为镜面改性工艺技术的实验平台,对大口径碳化硅反射镜面PVD改性工艺技术进行探索、分析和研究。重点研究了前期PVD改性前镜面特性与PVD改性层的最佳匹配关系,主要是PVD改性层与镜面粗糙度和残留面形误差的要求和最佳结合点。采用的抛光方式为磨盘相对镜体做行星运动,采用相同的离子束辅助沉积法进行凹椭球面碳化硅反射镜的镜面改性。实验结果表明:通过选用合适的方案对改性后的PVD改性层镜面的面形误差进行修抛,可同时提高其镜面光洁度和粗糙度,最终测试结果为0.756　nm（Sq）,与改性前比较,粗糙度得到一定程度的提高。