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。     

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。     

大口径轻质非球面反射镜制造技术研究

研制某卡塞格林光学系统的关键技术之一是通光口径超过1000mm的轻质抛物面主反射镜。该反射镜相对口径为1/2,减重率为65%,是目前国内最大口径的轻质非球面反射镜。成功地解决了大口径轻质镜坯的制造和大口径轻质非球面镜的加工与检测方面的难题。通过对高比刚度轻质镜的设计和进行CAD工程分析以及选用合理的光学材料,采用计算机控制的数控钻铣技术制造出了反射镜镜坯。在经典光学加工技术的基础上,摸索到了针对大口径轻质镜的支撑、加工与检测方面的技术。检测结果表明,该反射镜的研制达到了各项设计指标,其面形精度的均方根值RMS=0 029λ(λ=633nm)。     

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。     

大口径铜反射镜的加工

叙述铜反射镜的加工过程,提出“两面同时加工,自然释放应力”的加工方法。     

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。     

轻质碳化硅反射镜抛光过程镜面变形影响的研究

轻量化的碳化硅反射镜有自己独特的结构特点,加工中的变形与传统实体反射镜不同,对加工后的面形结果有独特的影响。对一直径为318mm的轻量化碳化硅反射镜进行了传统的研磨抛光,由于镜面变形对抛光结果带来了很大的影响,其面形误差的RMS值在0.048λ(λ=0.6328μma)左右就不再收敛。对抛光状态的镜体进行了有限元分析,探讨了减轻镜面变形对抛光结果影响的方法。采用计算机控制小磨头对该反射镜进行了确定性抛光,有效地降低了镜面形变的影响,使面形满足了精度的要求。     

碳化硅扫描反射镜支撑结构设计

对尺寸为460 mm×290 mm的SiC扫描反射镜的轻量化和支撑结构的设计进行了研究。基于三角形和矩形的复合轻量化结构,采用镜体背部为开放和封闭相结合的形式,设计了一种新型的扫描反射镜组件。该组件采用侧面支撑方式和轴向柔性结构,有利于消除支撑结构材料热膨胀系数不匹配产生的热应力对镜面面形的影响。有限元方法分析结果表明：反射镜组件在1 g重力载荷和8℃温度变化作用下,反射镜镜面的面形误差RMS值分别为4.5 nm和20.3 nm。该反射镜轻量化形式和支撑结构满足光学成像要求,并可有效提高结构的稳定性,对于大尺寸反射镜组件的设计具有借鉴意义。     

碳化硅反射镜坯体光学加工的残余应力测量与分析

测量并分析了碳化硅反射镜坯体光学加工的残余应力。采用X射线衍射法测定了磨削成形、研磨以及抛光过程引入的表面残余应力的性质和大小;采用逐层抛光法测定了在用120#粒度金刚石砂轮磨削时引入的残余应力层厚度。研究结果表明:在用120#金刚石砂轮磨削加工时沿磨削方向和垂直于磨削方向分别引入了残余拉应力和残余压应力,其大小分别为40MPa和70MPa,应力层深度约为60μm,大于裂纹层深度;在用W7金刚石微粉研磨时引入了残余压应力,在其作用范围内残余应力平均值为60～80MPa;在抛光时理论上会引入残余压应力。在此基础上提出了在碳化硅反射镜坯体的光学加工过程中,可以通过研磨消除磨削引入的裂纹层和残余应力层。     

用于超低温环境的轻质反射镜制造技术

以椭圆形平面反射镜实例为研究对象,介绍了轻质反射镜材料的选择以及反射镜在真空超低温环境中的应用。分析了各种轻量化孔的特点,设计了一种反射镜结构;在吊带支撑方式下,建立整体结构的有限元模型,对由于镜体自重及超低温环境引起的镜面变形进行了有限元分析。由数控系统在图形方式下控制实际轻量化加工,加工后的反射镜轻量化率达到33％;采用化学方法消除加工过程中产生的应力与微小裂纹;运用环形抛光机结合局部修磨进行光学抛光加工,抛光后面形精度达到0．022A（均方根,λ=633nm）;在实验室进行小范围温度拉偏实验,实验结果表明,面形精度变化量为0．03nm。     

超轻超薄反射镜加工工艺研究

介绍了国内外在超薄镜加工工艺方面的研究现状,在对已有的加工工艺改进的基础上进行了超薄镜加工工艺的实验研究,获得了预期中的实验结果,发现超薄镜下盘后由于应力释放而产生的形变主要来自像散,在主动调节中应注意对其进行校正。对超薄镜加工工艺实验研究中所获得的一系列经验进行了总结。     

快反系统中平面反射镜的轻量化设计

根据快速控制反射镜系统(快反系统)对平面反射镜的设计要求,对快反镜的轻量化结构进行了优化设计。选择比刚度大、热变形系数小的碳化硅为镜坯材料,采用背部开槽式结构减重,背部3点式支撑,对不同筋宽和镜面厚度等多种轻量化方案进行了有限元分析。结果表明:筋宽越大,镜体刚度越好,但筋宽增大到一定程度时,反射镜刚度的改善程度减缓;镜面越厚,镜体内应力、自重变形越大。结合反射镜设计要求和有限元分析结果,加工制备了筋宽为4 mm,镜面厚度为4 mm的碳化硅反射镜,镜体轻量化率达55%。实测反射镜的面形精度,其RMS值不超过λ/30,与分析结果相符,满足系统的使用要求。     

碳化硅指向反射镜轴的高精度镶接技术研究

碳化硅具有优异的热学性能和机械性能,是高性能空间光学应用中的优选材料。但由于它的硬度很高,使得碳化硅反射镜的高精度加工和装配变得很困难。为了提高碳化硅反射镜与两个镜轴固接后的位置精度,采用了结合衬套修正的偏心轴补偿镶接方案。结果表明,这种方法可以将镶接完成后的两个镜轴的同轴度误差降低到0.005mm。由于在镶接过程中仅需要通用的加工设备和工装夹具,因此可以在保证良好经济性的前提下提高碳化硅反射镜的装配精度。     

大口径反射镜加工机床在线检测高精度对准方法

本文提出了基于特殊点对靶标的快速对准装置,实现机床加工臂和检测臂初始扫描位置自动高精度复位。靶标由外围区域四组放大倍率标定点对和中心区域大小对准点对组成;对准装置经初次使用前的畸变校正后,每次自动识别靶标区域完成自动对焦;根据外围点对进行放大倍率标定;自动识别中心大小点对并对其进行坐标定位;根据当前点对靶标位置计算与理想位置角度量和平移量偏差,指导机床转台和导轨互相配合,迭代调整直至完成精确对准。实验表明该方法对准精度约为5 μm,优于几十μm的机械定位精度,更利于实现超高精度光学加工的快速收敛,提高大口径反射镜加工效率。     

非球面碳化硅反射镜的加工与检测

为了获得高精度非球面碳化硅(SiC)反射镜,对非球面碳化硅反射镜基底以及改性后碳化硅反射镜表面的加工与检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ-2非球面数控加工设备。采用轮廓检测法和零位补偿干涉检测法分别对碳化硅反射镜研磨和抛光阶段的面形精度进行了检测,并采用零位补偿干涉检测法及表面粗糙度测量仪对最终加工完毕的碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度进行检测。测量结果表明：各项技术指标均满足设计要求,其中非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）为0.016λ(λ=0.6328μm）,表面粗糙度（RMS值）为0.85nm。     

Φ520mmF/1.6椭球面反射镜加工

介绍了一块Φ520mm大相对孔径(F/1.6)轻量化椭球面反射镜的加工与检测方法。镜面的有效口径为Φ502mm,顶点曲率半径为1600mm,非球面系数k=-0.9663,面形精度要求优于0.025λ(RMS)。镜子背面有54个大小深浅不一的不通孔,用于减轻镜子的重量。采用WYKO干涉仪检测得到镜面面形误差达RMS0.02λ,λ=632.8nm。     

基于SiC材料的大长宽比长条型反射镜轻量化结构设计

介绍了一种大长宽比长条型反射镜的轻量化结构设计方法.讨论了反射镜的材料选择和轻量化结构形式,同时在轻量化设计过程中引入拓扑优化方法,以反射镜柔性变形为设计约束,以最小体积为设计目标,经过迭代计算得到最优结果.根据优化结果,建立反射镜的三维实体模型,并利用MSC.Patran软件建立反射镜的有限元模型,对影响反射镜自重变...