空间太阳望远镜中的轻量化铍镜研究

　　1　引　言

　　随着对宇宙空间探测的不断深入,人们对天文仪器特别是空间天文仪器的性能提出了越来越高的要求。反射镜是空间天文光学仪器中的核心部件,其综合性能的优劣直接影响空间天文仪器的成像质量、使用寿命、仪器重量以及制造和发射成本等因素。因此研制综合性能更加优异的反射镜有着重要意义。

　　摆镜是空间太阳望远镜相关跟踪器中的主要光学元件,在光学系统中做二维摆动使光束受控地产生快速、小角度变化以补偿因卫星振动而引起的图像抖动。相关跟踪系统的动态范围、精度由摆镜的动态范围、精度决定,有效带宽也受到摆镜谐振频率的影响,摆镜综合性能的好坏也会影响相关跟踪系统的性能。摆镜的综合性能受反射镜材料、镜体结构等因素的影响。常用的反射镜材料有碳化硅、微晶玻璃、超低膨胀石英、熔石英、金属铝等。金属铍是一种新型的反射镜材料,与常用的反射镜材料相比优势明显,其比刚度大、热变形系数小、材料稳定性好等,已被国外发达国家成功应用于研制天文仪器中的大口径反射镜,如美国的JWST[1]、ITTT[2]、日本的JAMI[3]、欧南台的VLT[4]等项目。我国对铍镜研究和应用起步较晚,始于上个世纪末期,在资源、风云系列卫星上应用了工作在红外波段且面形精度较低的铍扫描镜[5-7]。

　　为了提高空间太阳望远镜相关跟踪系统的动态性能,本项目组针对空间太阳望远镜中摆镜研制,开展了工作在可见光波段的铍镜研究。完成了铍镜镜坯研制、铍镜基体镀覆过渡层、光学加工和光学检测等系列工作,探索出了一条工作在可见光波段、高精度金属铍平面反射镜的技术路线,为在我国空间天文仪器中应用铍镜奠定了基础。

　　2　摆镜材料选择与结构设计

　　选择性能优异的反射镜材料和设计合理的镜体结构有利于提高摆镜的综合性能。

　　2.1　摆镜材料选择

　　摆镜材料选择需要考虑相关跟踪系统的光学要求、环境要求、反射镜材料性能和生产成本等因素。空间太阳望远镜所在的环境为太空环境,使用条件是微重力或无重力、低温或者是大温差,同时要考虑到发射时对整个系统的要求,因此选取摆镜材料时主要考虑以下几个因素[8]:1.比刚度(弹性模量E/密度ρ)大;2.热变形系数(热膨胀系数α/热导率λ)小;3.材料本身稳定性好;4.易于加工、制造等。

　　在天文仪器反射镜材料(如表1)中,金属铍与其它反射镜材料相比具备一定优势[9]:铍密度最小,约为碳化硅等材料的2/3;铍比刚度最大,是SiC的1.5倍,是其它反射镜材料的4~6倍;铍作为空间反射镜材料既减轻了镜体重量,又减轻了支撑系统的重量,可降低仪器的发射成本;铍的比热容也最高,当温度变化时,镜体能很快达到热平衡,避免因温度梯度导致镜体扭曲变形;铍材的工艺性能良好,尽管铍粉有毒,但操作时可用防护措施进行防护;铍材虽然较贵,但对于空间天文仪器来说,性能是首要考虑的因素。因此,性能优异的铍,是空间光学系统中首选的反射镜材料。经过反射镜材料对比分析,确定金属铍为空间太阳望远镜中的摆镜材料。