用于超低溫環(huán)境的輕質(zhì)反射鏡制造技術(shù)

陳 亞,宋淑梅,宣 斌 ,謝京江

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

近幾年來(lái),各國(guó)的遙感衛(wèi)星和空間光學(xué)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展,而光學(xué)系統(tǒng)是空間遙感的重要有效載荷,其質(zhì)量的大小和適應(yīng)空間超低溫環(huán)境的能力直接決定了發(fā)射成本和工作性能的高低,因此必須在保證剛度和強(qiáng)度的前提下對(duì)空間光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最大程度的輕量化。其中反射鏡的輕量化是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)輕量化中最基本、最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。

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

2 輕質(zhì)反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 材料選擇

輕質(zhì)反射鏡材料的選取主要應(yīng)考慮到剛性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、操作安全性與加工質(zhì)量。現(xiàn)有的材料很難同時(shí)達(dá)到這些性能要求,選擇材料時(shí)必須綜合比較,選出盡量滿足系統(tǒng)性能要求的材料。目前常見(jiàn)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(shù)[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(shù)低,素有零膨脹微晶玻璃之稱,且價(jià)格相對(duì)便宜,工藝比較成熟,可以獲得極高質(zhì)量的光學(xué)表面?？紤]到本文研究的輕質(zhì)反射鏡是工作在超低溫的環(huán)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(shù)Tab.1 Parameters of two commonly used materials

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(xué)系統(tǒng)對(duì)主鏡的面形要求來(lái)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(yīng)用于帶有中心孔的圓形反射鏡的輕量化,根據(jù)其加強(qiáng)筋排布的不同又可分為連續(xù)加強(qiáng)筋式和斷續(xù)加強(qiáng)筋式的輕量化孔。就可加工性能和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)接圓尺寸相同時(shí),其面型精度優(yōu)于后兩者。從筋的連續(xù)分布角度考慮,六邊形孔剛度有所下降,四邊形孔的穩(wěn)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]?？紤]到輕量化率不高,所以反射鏡背部的輕量化孔形狀設(shè)計(jì)成三角形。

圖1 輕質(zhì)反射鏡 CAD三維圖Fig.1 CAD drawing of lightweighted mirror

經(jīng) CAD優(yōu)化設(shè)計(jì),輕質(zhì)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(zhì)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(gè)方面的內(nèi)容:

(1)輕質(zhì)反射鏡在自重狀態(tài)下的鏡面變形;

(2)輕質(zhì)反射鏡在 +50～-150℃的鏡面變形。

輕質(zhì)反射鏡采用吊帶支撐方式,工作狀態(tài)如圖2所示。

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

輕質(zhì)反射鏡單元與節(jié)點(diǎn)的數(shù)目見(jiàn)表2,整體結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3所示。輕質(zhì)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(jié)點(diǎn)數(shù)目表Tab.2 Elements and nodes of m irror and belt

圖3 整體結(jié)構(gòu)的有限元模型Fig.3 Finite-elementmodel ofwhole structure

橢圓形輕質(zhì)反射鏡豎直放置,其約束情況如下:吊帶末端節(jié)點(diǎn) 6個(gè)自由度全部約束;由于鏡體結(jié)構(gòu)對(duì)稱,因此可以只計(jì)算 1/2模型,故需要約束模型對(duì)稱面上所有節(jié)點(diǎn)在X方向的平移自由度,如圖4所示。

圖4 反射鏡結(jié)構(gòu)約束示意圖Fig.4 Constraint sketch map ofmirror structure

通過(guò)計(jì)算得出重力作用下鏡面變形結(jié)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(jié)果Tab.3 Surface errors under gravity effect

輕質(zhì)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(guò)以上的有限元計(jì)算結(jié)果可知,輕質(zhì)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(huán)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(huì)對(duì)反射鏡的正常使用造成影響,可以忽略不計(jì)。因此,本文研究的橢圓形輕質(zhì)反射鏡無(wú)論材料選擇還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是可行的。

3 輕質(zhì)反射鏡加工

3.1 輕量化加工

玻璃質(zhì)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(jī)械減重法[7,8]?？紤]到工藝的成熟性及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的加工設(shè)備,采用了機(jī)械鉆銑減重法。

根據(jù) CAD設(shè)計(jì)出的輕量化結(jié)構(gòu)圖,利用 CAD軟件在圖上搜索需輕量化加工的區(qū)域,然后選擇加工該區(qū)域所用的刀具半徑 (加工不同區(qū)域所用刀具半徑可能不同),對(duì)該封閉區(qū)域求等距曲線,記錄等距曲線中各線段的數(shù)據(jù),存作 TPH軌跡數(shù)據(jù)文件。

根據(jù) TPH軌跡數(shù)據(jù)文件,編寫(xiě)數(shù)控系統(tǒng)的零件加工程序,存入數(shù)控系統(tǒng)的 RAM中進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)所有程序通過(guò)測(cè)試后,進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)。工藝實(shí)驗(yàn)要模擬實(shí)際加工,觀察加工過(guò)程與結(jié)果,如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,重新編輯程序中的工藝參數(shù),修改后再實(shí)驗(yàn),直至檢查無(wú)誤再進(jìn)行實(shí)際加工。實(shí)際加工可在系統(tǒng)的圖形方式下對(duì)零件的切削階段進(jìn)行監(jiān)控,顯示頁(yè)面將實(shí)時(shí)地顯示出刀具的移動(dòng)情形,這樣更加有利于實(shí)時(shí)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(huì)殘留加工過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力,以及在與金剛石刀具接觸的光學(xué)玻璃表面產(chǎn)生微小裂紋,如果對(duì)此不加以處理,則會(huì)嚴(yán)重影響到反射鏡面的光學(xué)成像質(zhì)量和使用壽命。利用一定配比及濃度的酸性溶液完全浸沒(méi)輕量化加工后的反射鏡,恒溫放置一段時(shí)間就可以解決上述問(wèn)題。

3.2 光學(xué)加工與檢測(cè)

橢圓形輕質(zhì)反射鏡的光學(xué)拋光加工在 1.2 m環(huán)形拋光機(jī)上進(jìn)行。由于反射鏡外形為橢圓形,不能直接放置到轉(zhuǎn)臺(tái)上回轉(zhuǎn)加工,所以還需要做一個(gè)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(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)上,由圓形套圈帶動(dòng)里面的橢圓形反射鏡一起做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行光學(xué)拋光加工。由于輕質(zhì)反射鏡的口徑比較大,且為橢圓形,為了提高拋光效率,當(dāng)進(jìn)行到拋光加工后期的時(shí)候,可以取下反射鏡,根據(jù)面形檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行人工局部修磨,從而能夠較快達(dá)到所需要的面形精度。實(shí)例如圖8所示。

圖8 拋光后的輕質(zhì)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(shí)期用光學(xué)樣板檢驗(yàn);當(dāng)光學(xué)樣板已經(jīng)無(wú)法再判斷反射鏡面形精度的時(shí)候,使用美國(guó) ZYGO干涉儀進(jìn)行檢測(cè),由于橢圓形反射鏡的長(zhǎng)軸達(dá)到了730 mm,而實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的 ZYGO 24″平面干涉儀口徑只有 φ610 mm,無(wú)法對(duì)反射鏡進(jìn)行全口徑檢測(cè),因此,采用 Ritchey-Common法進(jìn)行檢測(cè)[9],檢測(cè)方法如圖9所示。

圖9 Ritchey-Common法檢測(cè)示意圖Fig.9 Sketch map of Ritchey-Common test

從圖9中可以看出,在檢測(cè)光路中,檢測(cè)光束在被測(cè)平面上反射兩次,在標(biāo)準(zhǔn)球面和干涉儀參考球面上各反射一次。因此,標(biāo)準(zhǔn)球面和干涉儀參考球面的面形誤差對(duì)檢測(cè)結(jié)果的貢獻(xiàn)減少一半。

實(shí)驗(yàn)室使用的標(biāo)準(zhǔn)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(cè)系統(tǒng)的精度由此可以求得為:，與被檢測(cè)的平面面形精度 0.025λ相比符合檢測(cè)精度要求。

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

圖10 反射鏡面形檢測(cè)結(jié)果Fig.10 Test result of lightweighted mirror

4 溫度拉偏實(shí)驗(yàn)

本文研究的輕質(zhì)反射鏡在超低溫環(huán)境下工作,所以環(huán)境溫度的變化對(duì)反射鏡面形精度的影響尤為令人關(guān)注。

由于實(shí)驗(yàn)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(jìn)行小范圍溫度拉偏實(shí)驗(yàn),在室溫 20.8℃下檢測(cè)反射鏡面形精度,再將室溫加熱到 28.5℃,恒溫一段時(shí)間后再檢測(cè)反射鏡的面形精度,結(jié)果如圖11所示。

圖11 20.8℃(左)時(shí)與 28.5℃(右)時(shí)測(cè)得的面形值Fig.11 Test results in 20.8℃(left)and 28.5℃(right)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在 7.7℃的溫度變化范圍內(nèi),反射鏡面形精度變化量?jī)H有 0.03 nm,與有限元的分析結(jié)果是一致的。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。目前,設(shè)計(jì)的橢圓形輕質(zhì)反射鏡已經(jīng)成功地應(yīng)用在某衛(wèi)星環(huán)境實(shí)驗(yàn)中,并且取得了很好的效果。

隨著未來(lái)空間光學(xué)遙感器分辨率的不斷提高,空間光學(xué)遙感器反射鏡的口徑越來(lái)越大,對(duì)其結(jié)構(gòu)的輕量化要求越來(lái)越高,對(duì)其適應(yīng)空間環(huán)境變化的要求也越來(lái)越高,這就進(jìn)一步導(dǎo)致了材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工方法等諸多方面的革新;同時(shí)由于支撐方式的不同,環(huán)境溫度的變化以及加工過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力也會(huì)對(duì)反射鏡的面形精度產(chǎn)生影響。因?

此,反射鏡設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮到影響反射鏡面形精度的各個(gè)因素,對(duì)其進(jìn)行精確的分析并找到解決問(wèn)題的方法。

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