Φ410mm轻型熔石英反射镜

　　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。