静电薄膜反射镜的关键技术研究

　　空间薄膜反射镜是一种利用镀金属的柔性树脂薄膜成形聚光的空间光学元件，具有十分明显的优点：面密度小、贮存体积小、可展开、成本低等，在空间应用中有着巨大的潜质。传统的反射镜使用玻璃、金属等形态稳定的刚性材料做基坯，其主要缺点是重量重、加工难度大、制造周期长、成本高，难以适用于超大口径(如几十到几百米)光学系统对反射镜的要求。因此，作为空间望远镜、照相系统、天线、能量聚集器和微弱信号探测器主要组成部分，薄膜反射镜能够有效解决空间光学系统大口径、高分辨率的要求和发射承载空间、承载质量限制的矛盾。空间薄膜反射镜的主要成形方式有静电式、充气式、扫描式和混合式等，其中静电薄膜反射镜具有成形精度高，成本低的特点而得到广泛研究[1]。

　　国外很多宇航先进国家都对静电薄膜反射镜进行了深入研究，其中美国的相关研究最早，报道最多[1]。以美国 NASA、空军研究室、SRS 公司、亚利桑那大学等为代表的科研单位，自上世纪 70 年代开始，经过 30 多年发展，对空间薄膜反射镜的关键技术都有很好的突破。按照 NASA薄膜反射镜的发展规划[2]推断可知其成果已经进行空间应用，但未见报道。而在国内，对静电薄膜反射镜的研究开始于 21 世纪初，中科院长春光机所是国内第一家对薄膜反射镜进行系统研究的单位，率先进行了静电拉伸薄膜反射镜的理论研究，设计研制了180mm口径单电极反射镜，并进行了实验，薄膜拉伸面形良好，平面 RMS 在亚波长级。而后继续研制300mm口径多电极静电拉伸薄膜反射镜并正在进行相关技术研究[3]。另外苏州大学在静电拉伸薄膜反射镜方面也做了部分研究，包括理论分析、模拟两环电极的试验等[5]。国内对空间薄膜反射镜的研究，还处于地基分析试验的初级阶段，许多方面与国外的差距较大，所以国内应当先从地基研究开始，再逐步发展到空间应用。

　　1 静电薄膜反射镜关键技术

　　静电薄膜反射镜通过在高压电极和镀金属(铝、银)树脂薄膜之间形成电势差，在电场力的作用下使薄膜发生变形从而达到静电力和结构力的平衡以稳定成形。由于柔性树脂薄膜本身没有刚度，要使其稳定成形就要给薄膜施加一定的预应力从而具有足够的结构刚度，在静电力作用下才能得到收敛面形。因此地基静电薄膜反射镜研究的关键技术主要包括：薄膜材料的制备、薄膜预应力调节技术、成形控制机理和方法、薄膜反射镜面形评价技术。如图 1 所示。

　　1.1 薄膜材料的制备

　　随着先进材料技术的发展，被喻为“解决问题的能手”的聚酰亚胺薄膜材料出现并得到广泛应用。它的面密度能达到 0.05Kg/m2，拥有良好的物理性能，拉伸性能十分优秀，能够在极端温度下保持性质不变，很适合太空环境，成为薄膜反射镜材料的首选。早在上世纪 60 年代，美国、日本等就开始研制高性能的聚酰亚胺薄膜。国外商业聚酰亚胺薄膜以美国杜邦公司和日本的钟渊、宇都兴产为代表，能够制造出各种聚酰亚胺薄膜。要使薄膜能够进行光学应用，薄膜的表面粗糙度和厚度变化率要达到光学要求。除此之外，薄膜表面镀金属层的粗糙度、厚度变化率以及反射效率等也直接影响着。薄膜反射镜的应用效果。目前美国的SRS公司已经能够制造出光学应用质量的聚酰亚胺薄膜，而且他们还能够精确控制薄膜的厚度变化率或金属镀层厚度变化率来形成特定应力分布的成形薄膜。