空间反射镜材料性能的研究

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1、空间反射镜材料性能的研究互联网2012-06-1311:14:270引言随着空间领域竞争的加剧，世界各强国都投入大量人力物力来发展相关技术。空间总行器的主要作用Z—是收集信息，因此对空间光学系统的性能展开研究具有重要意义。空间望远镜通常是采用反射式结构设计，其屮主反射镜是整个光学系统的核心部件。空间望远镜主反射镜设计的趋势是大面积、低比璽，同时要求反射镜材料具冇优界的机械性能和热物理性能。考虑到空间坏境的特殊要求，需要通过以下步骤来选择空间反射镜材料:①确定具有对行性的反射镜候选材料;②选择反射镜材料需要考虑的一些因素;③组织建立各种反射镜候选材料性能参数的数据库;

2、④从性能参数、制备和成本等角度进行对比;⑤综合考虑，协调设计因素，确定选用材料。虽然可供制造光学反射镜的候选材料很多，但是考虑到太空环境的严酷性，实际应丿IJ比较多的是金属铝、金属皱、金属傑、光学玻璃、硅和碳化硅等材料［1〜3］。1选择材料需要考虑的因素在尝试确定适用于空间望远镜的反射镜材料时需要考虑众多因素,同时还需要确定这些因素的利弊。表1列出了一些需要考虑的因素及其定义和单位。这些因素包括以下儿个方面:①材料的机械结构性能，②材料的热物理性能，③材料的光学性能，④材料的制备成本，⑤其他因素。表1确定反射镜材料需要考虑的因素Table1Theronsitleri

3、ngproprrtvofconfirming>pacemiiTorniateiial参数定义单位评价密度pkg/m'低好刚度EMJ商好强度YTSkJ商好断裂韧性KtcMPa•m,/2高好各向同性林料性能〃向性的比率无虽纲搖近1好热膨胀系数CTEl/K低好热导率KW•m*K,高好比热CrJ•kg^K1高好而形峥值与谷值的差值（:iirvalureTill变形与木变形的差值rnniMicrrrRadian-低好低好老而粗糙度茨面的离而度nmrrns低好光恺散射从反射屋浙的的敬射nmmis低好反射n.能R

4、(n入-1「+Xk']/jInX+1)〜+Ak■

5、百分率.%■高好

6、尺寸稳定性微小变形的时间年f.5好可获得性■WH:€1441OB成本价格/11［径「美兀/米丨低好材料机械结构方面的特性是指材料的强度、刚度、泊松比、比刚度、使用寿命和材料的均匀与稳定性等。根据材料在加载时产生的应力和变形來对比不同的材料在结构性能方面的优劣。结构加载应该考虑的是静态载荷、动态载荷、随机振动以及重力的释放等，还有诸如在运输和装配过程屮产生的载荷等方面。热性能方面主要是考虑在热载荷和热冲击下材料产生的热应力与热变形以及材料性能的变化。在空间望远镜的设计少制造过程屮，材料的热性能总是处于重要的地位。反射镜所受的热载荷总体上可归结为整体的温度特性、离轴（沿

7、厚度方向的）热梯度和径向（与反射镜平面平行的）热梯度以及由于温度场变化产牛的热应力与变形。光学性能包括散射性能和反射性能。它们是指反射镜材料能否获得满足工作要求的光学表面的性能。在选择空间反射镜材料的过程屮，还需要考虑其他许多方面的因素。其屮比较重要的是成本，还有诸如材料的可获得性（以材料制备工艺的难易程度为标准）,是否易于制造出满足空间望远镜设计要求的尺寸和精度，包装，望远镜的展开机制，体积的限制、维修维护等等。虽然这些因素对于空间反射镜材料的研究都是难以量化的，但是也应处于综合考虑的范围之内。2材料的性能参数参考美国国家航天局（NASA）对下一代空间望远镜（NG

8、ST）工作温度的要求控间望远镜的主要工作温度范围是40〜60K［4］。表2⑸列出了反射镜的详细性能参数要求。一般说来,空间望远镜的工作温度范围大约在30〜300KZ间，因此考察反射镜材料的各项性能也主要在这个温度区间内。表2GST对反射镜性能的要求fable2Thedrmanilof百pacemirrorproperlyat>oulNGST性能翌求面密度15kg/m2镜片形状六角形外接圆直径1.2-1.5mprescription抛物线凹面曲率半径10±0.000Im镜片半径误差±20Mm面形误差25()nniPV/50nnimis环境设备温度300±IOK低温设

9、备温度第-模态频率160-260Uz(1)金屈铝金属铝应用于光学反射镜材料的主要原因之一是其价格便宜。早在20世纪60年代铝合金6061就被用来制造反射镜，因此金属铝被认为是制造光学反射镜的传统材料,现已冇数百座反射镜是由金属铝制造的［6］。与其它牌号铝合金如7075和2024相比,6061的2个优势是材料的易加工性和制备出的反射镜在尺寸和形状上具有长期稳定性。但是金属铝很难被抛光成高精度。如果采用无电镀镣(EN)镀层，虽然在镀层上容易被抛光成满足光学要求的表面光洁度,但是在温度变化时会因为双金属变形而产生很人的不稳定性［7］。另外在反射镜的制造过程小，经过铸造