增材制造SiC陶瓷反射镜的研究进展

碳化硅陶瓷具有优异的力学性能和良好的热学性能,是制备空间光学反射镜的理想材料之一。传统成型技术制备的SiC陶瓷反射镜普遍存在轻量化程度低、制备周期长等问题,难以满足空间光学系统的发展需求。当前,增材制造技术展现了其在低成本、短周期制备超轻型反射镜方面的巨大潜力。本文首先对常见的反射镜材料特性进行了对比;然后,综述了SiC陶瓷反射镜增材制造成型技术的研究进展,并详细论述了SiC陶瓷反射镜制备过程的组分设计、制备工艺、致密化方法等,总结了增材制造技术制备SiC陶瓷反射镜的技术路线;最后,对SiC陶瓷反射镜增材制造制备技术的未来发展提出展望。

Φ510mm SiC超轻量化反射镜的设计与有限元分析

针对Φ510mmSiC超轻量化反射镜的研制,提出了一剖面为船型、内部为正三角形、面板加密呈正六边形的轻量化结构。当设计重量为1.85kg时,通过调整各个结构参数与另外两种相同重量的轻量化结构进行了比较。结果表明,在同样背部6点支撑作用下,该超轻量化结构在光轴指向天顶时由自重引起的面形(RMS)具有较大优势。利用Patran\Nastran有限元软件模拟计算了该超轻量化反射镜在光轴水平状态下的自重镜面变形,并对其进行了热力学及动力学特性分析。分析结果显示,该超轻量化反射镜各项指标均能满足使用要求。最终,根据设计结果试制加工了一块镜坯,初步加工后的重量约为2.2kg,面密度约为10.8kg/m2,已达到目前SiC超轻量化反射镜的先进水平。

大口径SiC轻量化主镜热变形的定标

为了准确地预算出大口径SiC轻量化主镜镜面的温度变形,研究了不同热模式下SiC轻量化主镜镜面面形的定标和计算方法。将SiC轻量化主镜上的温度传感器在轴向厚度方向上进行分层处理,对每层上的温度分布采用准Zernike多项式进行拟合。以4mSiC轻量化主镜为例,采用有限元法分别对准Zernike前9项温度模式(18种温度场)下的镜面变形进行定标计算,得出各种单位载荷作用下轻量化主镜镜面的最大变形以及面形误差PV值和RMS值。计算结果表明:准Zernike第一项模式、单位载荷作用下镜面变形最大,其面形误差RMS为278.3nm。采用最小二乘法对各种温差场下的镜面误差进行准Zernike多项式拟合,获得了准Zernike像差项的系数。采用最小二乘法拟合计算出镜面变形误差产生的准Zernike像差项的系数,结果表明,18种温度场下产生的像差形式主要有:平移、倾斜、离焦、彗差和像散。

空间用SiC反射镜表面改性的性能和可靠性评估

根据空间应用项目需求,采用等离子辅助电子束蒸发方法对RB-SiC基底进行了表面改性,并对表面改性的性能和可靠性进行了相关评估.经测试,改性后RB-SiC基底表面粗糙度(rms)降低到0.632 nm;散射系数降低到2.81%,500～1 000 nm范围的平均反射率提高到97.05%,已经接近于抛光良好的微晶玻璃的水平;改性涂层温度稳定性高,与基底结合牢固;加工后,面形精度达到0.119λ(PV)和0.014λ(rms),λ=632.8 nm.评估结果表明,这种SiC基底表面改性的工艺是可靠的,其光学性能满足空间高质量光学系统的要求,适宜空间环境应用.

应用SiC反射镜表面改性技术提高TMC光学系统信噪比

为了消除SiC反射镜的固有缺陷,提高反射式光学系统的信噪比,使用SiC表面改性技术对同轴三反射(TMC)光学系统的SiC反射镜进行了处理。首先,应用等离子体辅助沉积(PIAD)技术沉积了一层Si改性层,接着对改性层进行精密抛光,然后在反射镜表面镀制Ag膜和增强膜,最后获得了表面改性对TMC光学系统信噪比的影响。Wyko轮廓仪测试表明,SiC反射镜的粗糙度Ra由10.42nm降低到了0.95nm;镀制高反射膜后,主镜、次镜、三镜及折叠镜在0.5～0.8μm可见光波段的反射率>98%。计算结果表明,应用了表面改性技术后TMC反射式光学系统的信噪比提高了5%以上,说明SiC表面改性技术是一种提高TMC光学系统信噪比的有效方法。

RB-SiC基底反射镜表面改性工艺的改进

为了满足空间用大口径、复杂轻量化结构RB-SiC基底反射镜对高性能表面质量的需求,针对RB-SiC基底的特性,提出了改进表面改性工艺的方法。采用高能量考夫曼离子源辅助,预先对基底进行碳化和加镀C缓冲层,并制备Si改性涂层的方法对RB-SiC基底进行了表面改性。测试结果表明:与单纯霍尔离子源辅助方法相比,该工艺方法制备的Si改性涂层生长得更加致密、均匀,抛光特性良好;改性抛光后表面粗糙度(rms)降低到0.635 nm,达到了S-SiC基底的水平;改性后RB-SiC基底的反射率明显提高,达到了抛光良好的微晶玻璃的水平。结果表明,该工艺方法是提高RB-SiC基底表面改性效果的一种合理有效的方法。

用自制总积分散射仪评估SiC基底表面改性效果

根据总积分散射理论自制了半球式总积分散射仪,建立了系统规范的测试方法,并应用其对工程中SiC基底表面改性的效果进行了相关检测和评估。改性后RB-SiC和S-SiC基底的散射系数分别降低到2.86%和1.53%,已接近于抛光良好的微晶玻璃的水平(1.38%)。该散射仪的优点是操作简单、方便快捷、不接触样品、对表面无损害。通过对测试数据的分析可知,从散射特性角度对SiC基底表面改性效果进行评估是合理有效的。把相关测试结果与分光光度计的测试结果对比,测量偏差在1.1%左右,说明该总积分散射仪的测试结果准确可靠。

4m口径SiC反射镜原位检测用静压支撑系统

研制了一套用于4m SiC反射镜原位检测的静压支撑系统,以降低超大口径SiC反射镜离线检测的风险,提高其制造效率。首先,推导了单元刚度的解析式,确定了其中关键因素;然后,对支撑单元进行抽样测试,结合解析式预测了支撑群组中单元的工作刚度。最后,通过密封性测试和反射镜原位检测,验证了支撑系统的稳定性;通过有限元模拟,计算了系统的重力卸载面形精度。结果表明:5个单元连组时,单元刚度约为1.9kN/mm,刚度值分布在±3%误差区间;独立单元刚度可高至15kN/mm;3种分组单元刚度预测值分别为1.7,1.1和0.8kN/mm。支撑系统空载时管路压强变化缓慢,表明密封性良好;用该系统支撑4m反射镜时,11天内高度绝对变化量小于50μm,相对变化量小于20μm。54个单元刚度随机分布时,镜面面形高阶残差(RMS)为20nm。提出的系统基本满足原位检测的稳定性和精度要求。

1.2m轻量化SiC主镜支撑系统优化设计

针对1.2 m轻量化SiC主镜,提出了轴向支撑采用18点Whiffle-tree结构结合压杆结构,侧向支撑采用A-Frame柔性机构结合切向支撑机构的支撑方案。从原理上对该主镜支撑方案进行了分析,说明了采用以上两种结构的优点;通过有限元方法对各个机构参数进行了分析、优化,并对整体结构进行了静力学以及热学仿真。实验显示:在参考温度下主镜面形精度(RMS)值为3.5 nm;温差达到40℃时,RMS值为11.1 nm。该设计方案满足了1.2 m轻量化SiC主镜的支撑要求,同时可以很好地抵消热应力对主镜的影响。

大口径SiC反射镜组件研制技术

目前大口径SiC反射镜组件的研制是当前轻小型化相机研制中亟待解决的关键技术之一。针对该类反射镜的研制特点,本文以某轻型相机大口径SiC反射镜组件的工程研制为例,从方案设计、力学样机设计与分析及地面试验三方面,系统地阐述了大口径SiC反射镜组件进行合理、高效、高可靠性设计的主要研制技术路线。有关试验结果表明,SiC反射镜组件一阶频率保持在340Hz左右,与有限元分析结果相差约8.5%;振动试验前后反射镜面形RMS相差为0.009λ,该结构满足使用要求。该反射镜组件研制技术路线完全适用于其它大口径反射镜组件的工程研制,并可有效提高结构的稳定性,缩短研制周期。

2m SiC反射镜拱形轻量化结构设计

针对口径为2060mm的地基大口径望远镜主反射镜,选用SiC材料和新型拱形轻量化结构进行了详细的轻量化参数设计,并对支撑环半径进行了优化。对于Whiffletree18点支撑和27点支撑形式,从静力学(重力作用)和热力学两方面对比分析了两种轻量化结构的镜面变形,结合SiC反射镜的加工工艺,最终确定18点支撑的轻量化结构为首选方案。同时,就SiC反射镜对稳态温度差导致的热变形较敏感的问题,提出可通过设计与镜体热变形相匹配的支撑结构来满足镜面变形的要求。

离轴非球面SiC反射镜的精密铣磨加工技术

离轴非球面反射镜是高分辨率、大视场空间相机的核心元件,其镜面的形状精度和表面质量要求极高,加工难度很大,一直是光学系统先进制造技术的瓶颈。针对国家对空间大型SiC光学元件制造技术的重大需求,开展以大口径、高陡度、大离轴量和大偏离量为特点的离轴非球面反射镜的精密铣磨加工技术研究。开发非球面反射镜计算机辅助数控编程技术,提出五轴联动斜轴定角度加工方式,建立旋转中心在镜面外的螺旋加工轨迹,避免镜面几何中心处的加工残留。并基于五轴加工中心(型号DMG Ultrasonic 100-5)搭建超声振动辅助铣磨加工平台,以900 mm×660 mm口径离轴非球面SiC反射镜镜坯为加工样件进行工艺试验,加工面形精度峰谷值(Peak to valley,PV)达到18.8μm,方均根值(Root mean square,RMS)达到3.5μm。研究为按照非球面方程高精度铣磨超大尺度精度比离轴非球面反射镜提供了有效的解决方案。

4m SiC轻量化主镜的主动支撑系统

针对4m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大,面形精度要求高的特点,提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重,主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力,从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围,提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化,确定了轴向54点和侧向24点等间距等力(β=0.5)支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时,主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8nm和82.9nm。采用主动校正后,主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0nm和9.8nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30(λ=632.8nm)的指标要求。

SiC基反射镜制备工艺研究进展

空间系统用的高性能轻质反射镜的研究和应用正逐年稳定发展,本文从几种卫星反射镜材料的性能和特性出发,得出SiC及其复合材料作为反射镜材料性能最佳的结论;通过比较各种工艺制备SiC基反射镜性能,结果显示:只有C V D SiC能够作为反射镜反射光学表面。本文重点详细介绍了SiC及其复合材料反射镜制备工艺及方法特点,并对其工艺发展前景进行了展望。

大口径SiC反射镜的焊接加工和测试

SiC是目前空间用大口径反射镜的首选材料,随着空间光学系统的发展,出现了1m以上空间用SiC反射镜的需求。对该反射镜采用焊接拼接然后再进行加工可以节约成本,降低风险。作为演示实验件,首先,对直径为600 mm的焊接SiC反射镜进行了焊接拼接,粗磨成型、精细研磨和粗抛光。然后,采用CCOS技术对反射镜进行了精抛光,并分析了加工过程中焊缝边缘优先去除的原因和抛光过程镜面变形对加工结果的影响。最后,反射镜面形收敛到RMS值1/20λ(λ=632.8 nm)。结果表明,所采用的焊接技术和加工工艺制造的反射镜可以满足空间反射镜的需要。

基于SiC材料的空间相机非球面反射镜结构设计

针对空间相机中优质轻型光学反射镜对材料提出的要求,详细讨论了设计基于SiC材料空间反射镜的一系列问题,包括径厚比的选择、支撑点数量、轻量化结构形式、材料特性匹配等,提出了一种背部半封闭、三角形孔的轻量化形式,并设计制造了Φ600 mm轻量化SiC反射镜实验件。抛光后反射镜面形精度优于λ/20 rms。为验证重力变形的影响,将反射镜分别旋转了90°和180°,用Zygo干涉仪检验,3个方向检测结果误差均小于λ/100 rms。在此基础上设计完成了某空间相机中的SiC非球面主镜、次镜、第三镜,结果表明基于SiC材料的反射镜在重力变形、谐振频率、热变形等方面均能满足使用要求,而且与玻璃材料相比,在很大程度上降低了重量。

大口径轻质SiC反射镜的研究与应用

介绍了大口径轻质碳化硅反射镜镜坯的基本结构、性能测试指标、国内应用及发展前景;阐述了碳化硅凝胶注模成型(Gel-casting)、反应烧结SiC(RB-SiC)与压力成型、常压烧结SiC(SSiC)两种国内主要制备大口径轻质碳化硅反射镜的方法;并对两种方法制备得到的1.45 m碳化硅镜坯的性能、测试数据及光学加工后的光学特性进行分析和比对,提出存在的问题,以供商榷,进而促进国内大口径轻质碳化硅反射镜的研究和发展。

SiC光学反射镜发展现状

综述SiC作为光学反射镜材料在设计、制造、光学加工和应用方面的发展现状,同时对今后SiC作为光学镜片材料的发展趋势进行了展望。

2m SiC反射镜柔性被动支撑系统

针对2 m SiC反射镜在地基望远镜中的应用,结合SiC反射镜热膨胀系数大、重量轻的特点,设计了柔性被动支撑系统。该系统底支撑whiffletree结构中的支撑杆采用柔性细杆,侧支撑杆采用柔性铰链结构,从而使底支撑系统和侧支撑系统分别起支撑作用,不但保证了主镜良好的位置误差和形状误差还很好地消除了装配应力和热应力。对在支撑系统作用下反射镜进行了静力学分析、热力学分析和模态分析,并通过面形检测和主镜倾斜与平移检测验证了分析结果。检测显示:反射镜面形(RMS)达到λ/40(光轴竖直)和λ/16(光轴水平),主镜指向不同俯仰角时最大倾斜变化量为8″,偏心为0.070 7mm,基本与分析结果吻合,达到了设计要求,表明这种柔性支撑系统具有很好的工程应用能力。

RB-SiC反射镜的材料制备、表面改性及非球面加工

针对RB-SiC反射镜工程实践中暴露的一些问题,对RB-SiC反射镜的材料制备、表面改性及非球面加工等技术进行了研究。首先,依据其改性特殊性,选取了与RB-SiC反射镜材料热胀系数匹配的新型支撑材料进行热匹配设计。接着,依据实际工程情况对非球面加工工艺及流程进行技术改进,以提高加工的可靠性。最后,采用试验的方法对RB-SiC反射镜的相关加工方法进行了试验验证。试验结果表明,改性后RB-SiC反射镜完好,改性前后镜面面形精度RMS值变化量仅为0.017λ（λ=623.8 nm）,变化率为13%,非球面加工周期缩短了1~2月。该技术确保了RB-SiC反射镜10μm的改性膜层在后续加工中的加工余量,使其不易被磨漏,提高了加工的安全性,缩短了非球面加工周期,该技术亦适用于其它SiC反射镜的制备及非球面加工。