空间菲涅耳透镜的材料与工艺要求分析

　　0　引　言

　　空间聚光太阳电池阵采用的菲涅耳聚光透镜,是要长期裸露在空间环境中工作的精密光学元件。它的材料、成型和安装工艺,除了应满足使用要求外,还要能长期适应恶劣的空间环境。从使用性能看,要求透镜材料的透射率和折射率高、色散小、光学均匀性和一致性好、收缩率和线膨胀系数小、密度低、机械性能好、便于成型加工,同时要求成型和安装尺寸误差小,表面疵病小,光洁度和面形精度高。从对空间环境的适应性看,要求透镜耐高、低温范围宽,具有较高的抗紫外辐射、抗高能粒子辐射和抗原子氧侵蚀的性能。

　　由此可见,材料和工艺是空间聚光透镜的技术关键。但是,能完全满足上述要求的光学材料是难找的,只能通过对主要性能的分析比较折衷考虑,或者针对某些尚不满足的性能采用辅助方法加以改善。例如,采用表面镀膜以提高透射率和增强抗原子氧、抗紫外线辐射的能力。成型和安装工艺则不仅影响透镜的光学性能,而且影响制造成本。本文将根据透镜的使用要求和空间环境条件,分析材料性能和工艺因素对透镜光学的影响,并对成型和安装工艺提出要求。

　　1　透镜材料要求

　　可用于制作菲涅耳透镜的光学材料主要有光学玻璃、光学塑料和透明橡胶三类。光学玻璃由于质脆、密度高和难成型,一般不用。光学塑料已开发上百个品种,但可用作透镜的品种并不多,其中国产材料主要有PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂,又称有机玻璃)、PS(聚苯乙烯)、PC(聚碳酸脂)、CR-39(烯丙基二甘醇聚碳酸脂)、SAN(苯乙烯丙烯腈)、LH(丁苯树脂)和EA光学塑料,除CR-39是热固性塑料外,其余均属热塑性塑料。

　　目前国内外制作菲涅耳透镜最常用的光学塑料是PMMA。如投影仪、电视放大屏、探照灯、信号灯等用它作透镜。美国早期的地面用太阳聚光透镜也用这种材料[1]。这种塑料最突出的优点是透射率高,耐气候性优(20年裸露室外性能基本不变),容易模塑(用注射成型或热压成型)和机械加工,质量轻,成本低。但它的抗辐射剂量损伤阈较低[1×107rad(Si)],热变形温度低,质脆,故难以在空间应用。

　　几种透明橡胶有可能用来做菲涅耳透镜。美国早就利用聚硅氧烷橡胶制造菲涅耳透镜,把它粘贴在有机玻璃上,用于地面聚光太阳电池阵[2,3]。美国几次空间聚光太阳电池阵试验,透镜材料也用的是聚硅氧烷橡胶,牌号是DC93-500[4]。它经地面数百次-175℃到100℃高低温循环试验没有任何失效。在空间大椭圆轨道(363~2552km,70°倾角)上的试验表明,它具有优良的抗辐射性能[5]。但是,这种材料容易与原子氧反应,紫外辐射会暗化,故必须在其表面镀覆抗原子氧和紫外线的薄膜[6],或者粘贴到掺铈玻璃薄片上再使用[4]。比较而言,在国内,类似的可用作试验的材料也许是GN521有机硅凝胶了。GN521是以乙烯基二甲基甲硅氧基为端基的线型聚二甲基硅氧烷。加入交联剂(以三甲基甲硅氧基为端基的线型聚甲基氢硅氧烷)、催化剂(铂络合物)和补强剂(主要含有甲基和乙烯基的可溶性硅树脂)后,可在中温和隔绝空气的条件下硫化。它们的重要特点,是与有机和无机物基质都不粘附,适合于各种复杂形状和微细结构的模制,仿真性好,容易起模。这对表面压有精密浮雕尖劈结构的薄型菲涅耳透镜的成型来说是十分有利的。