用于超低溫環境的輕質反射鏡制造技術

陳 亞,宋淑梅,宣 斌 ,謝京江

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所光學系統先進制造技術重點實驗室,吉林長春 130033)

1 引 言

近幾年來,各國的遙感衛星和空間光學技術得到了迅猛的發展,而光學系統是空間遙感的重要有效載荷,其質量的大小和適應空間超低溫環境的能力直接決定了發射成本和工作性能的高低,因此必須在保證剛度和強度的前提下對空間光學系統結構進行最大程度的輕量化。其中反射鏡的輕量化是整個光學系統輕量化中最基本、最重要的關鍵技術之一。

本文研究的橢圓形平面反射鏡應用在超低溫真空筒體內,外形尺寸為:長軸 730 mm×短軸525 mm,厚度 90 mm,面形精度要求優于 0.025λ(均方根,λ=633 nm),輕量化率大于 30%,應用的環境溫度最高 +50℃,最低 -150℃。

2 輕質反射鏡結構設計與分析

2.1 材料選擇

輕質反射鏡材料的選取主要應考慮到剛性、熱穩定性、化學穩定性、操作安全性與加工質量。現有的材料很難同時達到這些性能要求,選擇材料時必須綜合比較,選出盡量滿足系統性能要求的材料。目前常見的用作空間反射鏡的材料主要有微晶玻璃 (Zerodur)和碳化硅 (SiC),表1列出了兩種材料的性能參數[1～3]。

由表1可知,碳化硅的比剛度高于微晶玻璃,因此,用碳化硅作材料的反射鏡輕量化率可以做得較高,但微晶玻璃的熱膨脹系數低,素有零膨脹微晶玻璃之稱,且價格相對便宜,工藝比較成熟,可以獲得極高質量的光學表面。考慮到本文研究的輕質反射鏡是工作在超低溫的環境中,而且輕量化率不高,所以選擇微晶玻璃作為反射鏡的材料。

表1 兩種常用材料的性能參數Tab.1 Parameters of two commonly used materials

2.2 結構設計

反射鏡背部蜂窩狀輕量化孔的形狀主要有三角形孔、四邊形孔、六邊形孔、扇形孔、圓形孔、異形孔及各種孔的混合使用。輕量化孔的疏密程度和布局需按照光學系統對主鏡的面形要求來整體考慮。其中圓形孔工藝性好,易于加工,但是輕量化率比較低;扇形輕量化孔一般應用于帶有中心孔的圓形反射鏡的輕量化,根據其加強筋排布的不同又可分為連續加強筋式和斷續加強筋式的輕量化孔。就可加工性能和結構剛度而言,圓形孔的工藝性最好,三角形孔、四邊形孔和扇形孔的工藝性相差不多,三角形孔和六邊形孔結構剛度較好,其中三角形孔更佳;三角形孔與六邊形孔及四邊形孔內接圓尺寸相同時,其面型精度優于后兩者。從筋的連續分布角度考慮,六邊形孔剛度有所下降,四邊形孔的穩定性不太好,而只有三角形孔的綜合條件較為合理,且具有較好的各向同性[4～6]。考慮到輕量化率不高,所以反射鏡背部的輕量化孔形狀設計成三角形。

圖1 輕質反射鏡 CAD三維圖Fig.1 CAD drawing of lightweighted mirror

經 CAD優化設計,輕質反射鏡的輕量化率為33%,鏡面厚度為 20 mm,三角形孔筋厚度為14 mm,質心距反射鏡鏡面 39.95 mm,如圖1所示。

2.3 有限元分析

有限元分析包括以下兩個方面的內容:

(1)輕質反射鏡在自重狀態下的鏡面變形;

(2)輕質反射鏡在 +50～-150℃的鏡面變形。

輕質反射鏡采用吊帶支撐方式,工作狀態如圖2所示。

圖2 吊帶支撐工作狀態Fig.2 Supported with a belt hanging system

輕質反射鏡單元與節點的數目見表2,整體結構的有限元模型如圖3所示。輕質反射鏡與吊帶之間采用 GaP單元模擬連接。

表2 反射鏡、吊帶的單元、節點數目表Tab.2 Elements and nodes of m irror and belt

圖3 整體結構的有限元模型Fig.3 Finite-elementmodel ofwhole structure

橢圓形輕質反射鏡豎直放置,其約束情況如下:吊帶末端節點 6個自由度全部約束;由于鏡體結構對稱,因此可以只計算 1/2模型,故需要約束模型對稱面上所有節點在X方向的平移自由度,如圖4所示。

圖4 反射鏡結構約束示意圖Fig.4 Constraint sketch map ofmirror structure

通過計算得出重力作用下鏡面變形結果,如表3所示,鏡面變形云圖如圖5所示。

圖5 反射鏡在重力作用下的變形云圖Fig.5 Displacement contour of mirror under gravity effect

表3 反射鏡在重力作用下的鏡面變形結果Tab.3 Surface errors under gravity effect

輕質反射鏡在 +50～-150℃下的鏡面變形量如表4所示,鏡面變形云圖如圖6、圖7所示。

表4 在 +50～-150℃下的鏡面變形Tab.4 Surface errors in+50～-150℃

圖6 +50℃下的鏡面變形云圖Fig.6 Displacement contour ofmirror in+50℃

圖7 -150℃下的鏡面變形云圖Fig.7 Displacement contour ofmirror in-150℃

通過以上的有限元計算結果可知,輕質反射鏡由自重引起的鏡面變形量 PV值與 RMS值僅為 1/20λ和 1/70λ,而另一重要因素超低溫環境引起的鏡面變形量 PV值和 RMS值僅為 1/80λ和 1/550λ,此變化量不會對反射鏡的正常使用造成影響,可以忽略不計。因此,本文研究的橢圓形輕質反射鏡無論材料選擇還是結構設計都是可行的。

3 輕質反射鏡加工

3.1 輕量化加工

玻璃質輕型反射鏡的制作方法主要分為 3類:澆鑄成型法、高溫熔接或熔接物封接法、機械減重法[7,8]。考慮到工藝的成熟性及實驗室現有的加工設備,采用了機械鉆銑減重法。

根據 CAD設計出的輕量化結構圖,利用 CAD軟件在圖上搜索需輕量化加工的區域,然后選擇加工該區域所用的刀具半徑 (加工不同區域所用刀具半徑可能不同),對該封閉區域求等距曲線,記錄等距曲線中各線段的數據,存作 TPH軌跡數據文件。

根據 TPH軌跡數據文件,編寫數控系統的零件加工程序,存入數控系統的 RAM中進行測試。當所有程序通過測試后,進行工藝實驗。工藝實驗要模擬實際加工,觀察加工過程與結果,如果發現問題,重新編輯程序中的工藝參數,修改后再實驗,直至檢查無誤再進行實際加工。實際加工可在系統的圖形方式下對零件的切削階段進行監控,顯示頁面將實時地顯示出刀具的移動情形,這樣更加有利于實時了解加工狀況,也更有利于控制加工。

輕量化加工后的反射鏡不可避免地會殘留加工過程中產生的應力,以及在與金剛石刀具接觸的光學玻璃表面產生微小裂紋,如果對此不加以處理,則會嚴重影響到反射鏡面的光學成像質量和使用壽命。利用一定配比及濃度的酸性溶液完全浸沒輕量化加工后的反射鏡,恒溫放置一段時間就可以解決上述問題。

3.2 光學加工與檢測

橢圓形輕質反射鏡的光學拋光加工在 1.2 m環形拋光機上進行。由于反射鏡外形為橢圓形,不能直接放置到轉臺上回轉加工,所以還需要做一個外圈為圓形,里圈為同心橢圓形的玻璃套圈,把反射鏡放到套圈里一起放到拋光機的轉臺上,由圓形套圈帶動里面的橢圓形反射鏡一起做回轉運動進行光學拋光加工。由于輕質反射鏡的口徑比較大,且為橢圓形,為了提高拋光效率,當進行到拋光加工后期的時候,可以取下反射鏡,根據面形檢測結果進行人工局部修磨,從而能夠較快達到所需要的面形精度。實例如圖8所示。

圖8 拋光后的輕質反射鏡Fig.8 Ligh tweighted mirror after polishing

拋光初期主要是改善反射鏡的表面粗糙度,該時期用光學樣板檢驗;當光學樣板已經無法再判斷反射鏡面形精度的時候,使用美國 ZYGO干涉儀進行檢測,由于橢圓形反射鏡的長軸達到了730 mm,而實驗室現有的 ZYGO 24″平面干涉儀口徑只有 φ610 mm,無法對反射鏡進行全口徑檢測,因此,采用 Ritchey-Common法進行檢測[9],檢測方法如圖9所示。

圖9 Ritchey-Common法檢測示意圖Fig.9 Sketch map of Ritchey-Common test

從圖9中可以看出,在檢測光路中,檢測光束在被測平面上反射兩次,在標準球面和干涉儀參考球面上各反射一次。因此,標準球面和干涉儀參考球面的面形誤差對檢測結果的貢獻減少一半。

實驗室使用的標準球面是 Ф500型激光干涉儀的參考球面鏡,其通光孔徑為 Ф540 mm,曲率半徑R為 4400 mm,面形精度為 0.032λ,干涉儀參考球面為 ZYGO GPI4″干涉儀的F/7.2參考球面鏡,其面形精度為 0.009λ。檢測系統的精度由此可以求得為:，與被檢測的平面面形精度 0.025λ相比符合檢測精度要求。

輕質反射鏡的最終面形精度達到 0.022λ(均方根,λ=633 nm),如圖10所示。

圖10 反射鏡面形檢測結果Fig.10 Test result of lightweighted mirror

4 溫度拉偏實驗

本文研究的輕質反射鏡在超低溫環境下工作,所以環境溫度的變化對反射鏡面形精度的影響尤為令人關注。

由于實驗室不具備大范圍溫度變化的條件,所以只能采取電爐升溫的辦法進行小范圍溫度拉偏實驗,在室溫 20.8℃下檢測反射鏡面形精度,再將室溫加熱到 28.5℃,恒溫一段時間后再檢測反射鏡的面形精度,結果如圖11所示。

圖11 20.8℃(左)時與 28.5℃(右)時測得的面形值Fig.11 Test results in 20.8℃(left)and 28.5℃(right)

從實驗結果可以看出,在 7.7℃的溫度變化范圍內,反射鏡面形精度變化量僅有 0.03 nm,與有限元的分析結果是一致的。

5 結 論

本文設計了一種橢圓形平面反射鏡,研究了該反射鏡的加工制造方法,并對其進行了實驗測試。目前,設計的橢圓形輕質反射鏡已經成功地應用在某衛星環境實驗中,并且取得了很好的效果。

隨著未來空間光學遙感器分辨率的不斷提高,空間光學遙感器反射鏡的口徑越來越大,對其結構的輕量化要求越來越高,對其適應空間環境變化的要求也越來越高,這就進一步導致了材料選擇、結構設計、加工方法等諸多方面的革新;同時由于支撐方式的不同,環境溫度的變化以及加工過程中產生的應力也會對反射鏡的面形精度產生影響。因?

此,反射鏡設計階段應充分考慮到影響反射鏡面形精度的各個因素,對其進行精確的分析并找到解決問題的方法。

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