太空反射镜空间环境效应评述

　　1　引　言

　　随着航天事业的发展,人类对宇宙空间的认识程度不断增强。气象预报、资源考察、太空探索及军事侦察都需要用到大型光学系统。为了提高光学系统的分辨率,满足轻量化和焦面稳定等要求,光学系统须逐渐由传统的折射式向反射式过渡。目前,大型航天器的光学系统多采用反射式设计,太空镜片多为反射镜,它是整个光学系统的关键部件[1~4]。

　　许多空间光学系统直接暴露于空间环境中,承受着高真空、热循环、冷黑、辐照、污染和空间碎片等多种空间环境因素的作用[5,6]。为了保证在空间环境条件下光学系统质量不变,必须对包括反射镜在内的光学元件提出明确要求。开展空间环境对反射镜等光学元件性能影响的分析,对提高空间光学系统在轨服役的可靠性和使用寿命具有十分重要的意义。

　　本文介绍了空间环境的辐照效应、污染效应、热效应及空间粉尘撞击效应等给太空反射镜带来的影响,分析了影响反射镜光学性能的现象及原因,探讨了空间环境下对反射镜性能研究的必要性。

　　2　反射镜的空间环境效应

　　2.1　带电粒子辐照环境效应

　　空间带电粒子辐照环境主要包括银河宇宙射线、太阳宇宙线及地球辐射带三部分。太阳在耀斑爆发期间辐射出大量高能带电粒子,称为太阳宇宙线[7],其成分99%为质子,大约只有1%为α粒子,另外还有少量的碳、氮、氧等重核离子。这些粒子的能量一般在一个兆电子伏特(MeV)至数百个兆电子伏特(MeV)之间。银河宇宙线[7]是由太阳系外

　　从银河系各个方向进入的能量极高的带电粒子。一般认为其成分85%为质子,12·5%为α粒子,1·5%为从元素锂到铁的原子核,1%为电子。地球辐射带是在近地空间被地磁场捕获的高强度的带电粒子区域,可分为内辐射带和外辐射带[7,8]。地球辐射带的成分主要是能量范围在0·004~7·0MeV的电子和能量范围在0·1~400MeV的质子。

　　航天器光学系统的主反射镜几乎是暴露在空间自然环境下工作的。在轨服役一段时间后,像质会有所降低,其重要原因之一就是带电粒子环境使主反射镜光学性能退化所致[7,9]。目前已对辐照环境下的反射镜所呈现的效应进行了研究[10~15]。

    齐亚范等人[13~15]采用高能质子和电子辐照对石英玻璃和微晶玻璃反射镜进行了研究。结果表明,兆电子伏特以上的高能质子和电子辐射对反射镜性能影响很小,如图1和图2所示。由于能量范围为100~200keV的质子和电子在材料中射程较小,所以对反射镜有特殊的表面效应[16]要求。文献[10]表明,在低能质子、电子及综合辐照条件下,反射镜反射率的降低主要发生在可见光和紫外谱段,导致成像质量的下降,如图3所示。在一定辐照剂量作用下,质子辐照还能引起反射镜表面产生起泡现象(图4)。其原因是入射质子被阻止在玻璃材料中,获得的电子变成氢原子,并聚集成气泡。材料中存在的空位等缺陷可作为气泡生成的核心。随着辐照的进行,气泡吸收氢原子而长大,同时相邻气泡也可能相连形成较大的气泡。当气泡达到一定大小时,可引起反射镜玻璃过渡层、表层及反射镜膜层的失稳。