空间反射镜材料性能的研究

　　0　引言

　　随着空间领域竞争的加剧,世界各强国都投入大量人力物力来发展相关技术。空间飞行器的主要作用之一是收集信息,因此对空间光学系统的性能展开研究具有重要意义。空间望远镜通常是采用反射式结构设计,其中主反射镜是整个光学系统的核心部件。空间望远镜主反射镜设计的趋势是大面积、低比重,同时要求反射镜材料具有优异的机械性能和热物理性能。考虑到空间环境的特殊要求,需要通过以下步骤来选择空间反射镜材料:①确定具有可行性的反射镜候选材料;②选择反射镜材料需要考虑的一些因素;③组织建立各种反射镜候选材料性能参数的数据库;④从性能参数、制备和成本等角度进行对比;⑤综合考虑,协调设计因素,确定选用材料。

　　虽然可供制造光学反射镜的候选材料很多,但是考虑到太空环境的严酷性,实际应用比较多的是金属铝、金属铍、金属镍、光学玻璃、硅和碳化硅等材料[1~3]。

　　1　选择材料需要考虑的因素

　　在尝试确定适用于空间望远镜的反射镜材料时需要考虑众多因素,同时还需要确定这些因素的利弊。表1列出了一些需要考虑的因素及其定义和单位。这些因素包括以下几个方面:①材料的机械结构性能,②材料的热物理性能,③材料的光学性能,④材料的制备成本,⑤其他因素。

　　材料机械结构方面的特性是指材料的强度、刚度、泊松比、比刚度、使用寿命和材料的均匀与稳定性等。根据材料在加载时产生的应力和变形来对比不同的材料在结构性能方面的优劣。结构加载应该考虑的是静态载荷、动态载荷、随机振动以及重力的释放等,还有诸如在运输和装配过程中产生的载荷等方面。

　　热性能方面主要是考虑在热载荷和热冲击下材料产生的热应力与热变形以及材料性能的变化。在空间望远镜的设计与制造过程中,材料的热性能总是处于重要的地位。反射镜所受的热载荷总体上可归结为整体的温度特性、离轴(沿厚度方向的)热梯度和径向(与反射镜平面平行的)热梯度以及由于温度场变化产生的热应力与变形。

　　光学性能包括散射性能和反射性能。它们是指反射镜材料能否获得满足工作要求的光学表面的性能。

　　在选择空间反射镜材料的过程中,还需要考虑其他许多方面的因素。其中比较重要的是成本,还有诸如材料的可获得性(以材料制备工艺的难易程度为标准),是否易于制造出满足空间望远镜设计要求的尺寸和精度,包装,望远镜的展开机制,体积的限制、维修维护等等。虽然这些因素对于空间反射镜材料的研究都是难以量化的,但是也应处于综合考虑的范围之内。