空间光学反射镜轻量化技术现状分析

　　1 引 言

　　近几年来， 各国的遥感卫星和空间光学技术得到了迅猛的发展， 而光学系统是空间遥感的重要有效载荷， 其质量的大小决定了发射成本的高低， 因此， 必须在保证刚度和强度的前提下对空间光学系统结构进行最大程度的轻量化。 其中， 反射镜的轻量化是整个光学系统轻量化中最基本最重要的关键技术之一。

　　当将反射镜水平放置时， 镜子由于自重引起的镜面变形量为：

　　由公式 (1) 可知， 反射镜的镜面变形量将随着直径的四次方增加。如果再考虑到相应的机械结构的质量将增大， 则整台仪器的质量将大幅度增加， 因此，对空间光学反射镜进行轻量化研究是必要的。

　　2 反射镜材料

　　2.1 对材料的要求

　　轻质反射镜应可以通过光学加工获得符合系统质量要求的光学面形， 并且反射镜的面形精度在空间环境工作中应能保持稳定。 因此， 要求轻质反射镜材料能达到如下几点性能要求：

　　(1)材料光学可加工性能。 镜坯材料必须能适应光学面形加工的要求， 镜坯材料应微观结构均匀，能经受光学镀膜的工艺条件且易于与反射膜结合。

　　(2)材料热稳定性能。 包括材料的低膨胀系数和良好的导热性能， 这两种性能的结合有利于消除反射镜体中的温度梯度， 使反射镜较快地实现热平衡。

　　(3)材料力学性能。 材料的高比刚度有利于实现更高的反射镜轻量化率， 对振动、 冲击也具有更强的抵抗能力。

　　(4)材料化学稳定性和安全性。现有的材料很难同时达到这些性能要求， 选择材料时必须综合比较，选出尽量满足系统性能要求的材料。

　　2.2 轻质反射镜常用材料

　　目前常见的用作空间反射镜的材料主要有微晶玻璃(Zerodur) 和碳化硅 (SiC)。 表 1 列出了两种材料的性能参数[1-3].由表1 可知， 微晶玻璃的热膨胀系数低， 热变形小，素有零膨胀微晶玻璃之称， 且价格相对便宜，工艺比较成熟， 可以获得极高质量的光学表面， 在现代空间光学系统中得到了广泛的应用; 碳化硅的比刚度高于微晶玻璃， 因此， 用碳化硅作材料的反射镜轻量化率可以做得较高。 随着碳化硅材料的制备和加工工艺日趋成熟， 碳化硅轻质反射镜已经越来越多地进入到工程实际当中， 碳化硅正在成为最具潜力的空间光学系统反射镜材料。

3 轻量化结构形式

　　目前，空间轻质反射镜常用的镜体结构形式为蜂窝夹心结构、背面开口结构以及泡沫夹心层结构，图1~3 为几种结构的示意简图。