劉 巖，張 輝，劉雷敏，楊 曉，黃 健，劉學(xué)建，陳忠明，黃政仁

大尺寸拼接式碳化硅反射鏡的研制及環(huán)境模擬試驗(yàn)

劉 巖*，張 輝，劉雷敏，楊 曉，黃 健，劉學(xué)建，陳忠明，黃政仁

中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所結(jié)構(gòu)陶瓷與復(fù)合材料工程中心，上海 200050

隨著空間技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)大尺寸空間反射鏡部件的需求愈發(fā)強(qiáng)烈。本文從材料和制備技術(shù)角度分析了大尺寸碳化硅反射鏡的發(fā)展趨勢(shì)，并以Φ1.0 m口徑常壓燒結(jié)碳化硅拼接式技術(shù)驗(yàn)證鏡研制過(guò)程為例，對(duì)拼接式反射鏡的分塊鏡設(shè)計(jì)制備、連接、光學(xué)加工等過(guò)程進(jìn)行了探討。此外，結(jié)合實(shí)際的工程化應(yīng)用需求，對(duì)1.0 m口徑碳化硅拼接式技術(shù)驗(yàn)證鏡進(jìn)行了包括熱真空、振動(dòng)和抗輻照等在內(nèi)的環(huán)境模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)合理的制備技術(shù)，Φ1.0 m口徑的碳化硅拼接式技術(shù)驗(yàn)證鏡光學(xué)加工后面形RMS達(dá)到了0.038(=632.8 nm)，經(jīng)歷熱真空和振動(dòng)的環(huán)境模擬考核后，其面形RMS分別為0.037和0.036；此外，拼接式反射鏡經(jīng)過(guò)60Co γ射線輻照測(cè)試后，反射率指標(biāo)基本保持不變，顯示了良好的工程應(yīng)用前景。

大尺寸碳化硅反射鏡；拼接；面形；環(huán)境模擬試驗(yàn)

1 引 言

空間遙感系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于深空探測(cè)以及軍事偵查、森林防火、國(guó)土資源普查、天氣預(yù)報(bào)等對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域，具有效率高、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，因此受到世界各國(guó)的廣泛重視。反射鏡作為空間遙感系統(tǒng)的核心部件之一，需要在空間環(huán)境下具備良好的面形穩(wěn)定性，其核心技術(shù)涉及到材料體系的選擇、反射鏡的設(shè)計(jì)制備、光學(xué)加工等多領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，空間遙感系統(tǒng)的分辨率指標(biāo)逐漸由米級(jí)進(jìn)入亞米級(jí)、甚至更低的分米級(jí)，反射鏡隨之呈現(xiàn)出如下變化趨勢(shì)：1) 主鏡口徑變大，隨著分辨率需求的提升，反射鏡光學(xué)設(shè)計(jì)的口徑已經(jīng)跨越到4 m量級(jí)；2) 材料體系由微晶玻璃、低膨脹玻璃向具有更高比剛度和熱學(xué)性能的碳化硅材料發(fā)展，以迎合大尺寸反射鏡帶來(lái)的高減重需求；3) 反射鏡的制造技術(shù)正逐漸由單體成型技術(shù)向可以制造更大尺寸部件的拼接成型技術(shù)發(fā)展。因此，大尺寸的碳化硅反射鏡正成為各國(guó)大力發(fā)展的空間核心光學(xué)部件。

目前，國(guó)內(nèi)外在大口徑空間反射鏡研制方面都投入了大量的資源，一些項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入工程應(yīng)用階段。歐空局的Herschel太空紅外望遠(yuǎn)鏡采用了3.5 m口徑，由12塊分塊鏡拼接成型的碳化硅主鏡，主鏡全重只有約300 kg，面密度為25 kg/m2，Herschel太空望遠(yuǎn)鏡工作在遠(yuǎn)紅外波段，于2009年發(fā)射升空，是目前已見(jiàn)報(bào)道中實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用的最大口徑碳化硅光學(xué)部件[1-2]。此外，美國(guó)NASA、歐空局和加拿大空間局合作研制，用于替代Hubble太空望遠(yuǎn)鏡的下一代空間望遠(yuǎn)鏡JWST(James Webb Space Telescope)采用空間展開(kāi)式結(jié)構(gòu)，主鏡展開(kāi)后尺寸達(dá)到了6.5 m，由18塊對(duì)角線長(zhǎng)度達(dá)到1.32 m的金屬鈹鏡組成，全鏡重約360 kg，面密度35 kg/m2，該項(xiàng)目由于研制難度太大，原定于2014年的發(fā)射計(jì)劃推遲到了2021年[3-4]。由日本主導(dǎo)研制的SPICA(the SPace Infrared telescope for Cosmology and Astrophysics)項(xiàng)目的主鏡尺寸同樣達(dá)到了3.5 m量級(jí)，該項(xiàng)目計(jì)劃采用短纖維增強(qiáng)碳化硅材料作為反射鏡的材料，已經(jīng)研制出了800 mm的樣件[5]，未來(lái)的大尺寸主鏡的制造方式還沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道。國(guó)內(nèi)大尺寸空間反射鏡的發(fā)展也非常迅速，以中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽所(簡(jiǎn)稱上硅所)[6]、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)與精密機(jī)械物理研究所(簡(jiǎn)稱長(zhǎng)光所)[7]、中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所(簡(jiǎn)稱成都光電所)[8]等研究機(jī)構(gòu)推出了采用不同技術(shù)路線制備的大尺寸空間反射鏡系統(tǒng)，其中上硅所采用常壓燒結(jié)碳化硅分塊鏡釬焊技術(shù)路線來(lái)研制大尺寸碳化硅反射鏡；長(zhǎng)光所采用反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)路線研制大尺寸碳化硅反射鏡；而成都光電所采用ULE玻璃焊接技術(shù)路線。長(zhǎng)光所已經(jīng)報(bào)道了世界上單體尺寸最大的4.03 m口徑碳化硅反射鏡完成制備和光學(xué)檢測(cè)[9]，顯示了我國(guó)在大口徑反射鏡研制領(lǐng)域開(kāi)始領(lǐng)跑世界。

中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所多年來(lái)致力于碳化硅空間反射鏡的研制工作，研制產(chǎn)品包含了單體反射鏡和拼接式反射鏡，本文從空間反射鏡材料優(yōu)選，制備工藝、空間反射鏡的工程化應(yīng)用測(cè)試等角度對(duì)拼接式大尺寸碳化硅反射鏡的研制進(jìn)行探討，希望為大尺寸碳化硅空間反射鏡的最終工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 大尺寸碳化硅空間反射鏡的制備技術(shù)

2.1 大尺寸空間反射鏡對(duì)材料的需求

空間反射鏡系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在太空，需要面對(duì)真空、宇宙射線輻照、極冷極熱等服役環(huán)境；另外，反射鏡系統(tǒng)還要經(jīng)歷發(fā)射振動(dòng)、地面存儲(chǔ)溫度波動(dòng)等情況。在上述情況下光學(xué)系統(tǒng)的面形指標(biāo)需要保持穩(wěn)定，同時(shí)還有考慮到載荷重量問(wèn)題，因此空間反射鏡系統(tǒng)對(duì)材料的選擇極為苛刻。對(duì)于大尺寸的空間反射鏡系統(tǒng)，其制備材料應(yīng)滿足以下條件：1) 良好的比剛度(/)，高的彈性模量和低的密度意味著在最小的重量條件下獲得最佳的抗變形能力，對(duì)于追求極端減重率和空間穩(wěn)定性的大口徑空間反射鏡而言，這是一個(gè)非常重要的性能；2) 優(yōu)異的熱學(xué)性能(/)，高的熱導(dǎo)率和低的熱膨脹系數(shù)意味著空間反射鏡可以最大限度地抵抗熱變形對(duì)鏡面穩(wěn)定性的影響；3) 優(yōu)良的可加工性能，良好的加工性能可以保證反射鏡在經(jīng)歷機(jī)械和光學(xué)加工后，其減重率和面形精度可以滿足空間使用要求。對(duì)于工作在可見(jiàn)光波段的反射鏡系統(tǒng)，多相材料制備的鏡面必須采用單相材料進(jìn)行改性和再加工，才能夠達(dá)到理想的面形要求；4) 均勻一致的材料性能，由于大尺寸空間反射鏡鏡面口徑一般超過(guò)2 m以上，因此對(duì)材料的各向同性要求較高，特別是密度、熱膨脹系數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)的一致性更為重要，否則可能導(dǎo)致制備或者光學(xué)加工過(guò)程出現(xiàn)缺陷；5) 拼接材料要能夠滿足空間環(huán)境的服役要求，對(duì)于采用拼接結(jié)構(gòu)的大口徑反射鏡系統(tǒng)，其拼接材料需要考慮空間服役環(huán)境的要求，特別是輻照性能的要求。

目前常用的反射鏡制備材料主要有微晶玻璃Zerodur、ULE玻璃、金屬鈹(Be)、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅(reaction-bonding silicon carbide, RB-SiC)、常壓燒結(jié)碳化硅(sintered silicon carbide, SSiC)、Cf/SiC復(fù)合材料等，各種材料的常用性能指標(biāo)如表1所示。以德國(guó)肖特公司Zerodur微晶玻璃和美國(guó)康寧公司的ULE玻璃為代表的空間光學(xué)玻璃材料由于其比剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于碳化硅材料和金屬鈹，因此在追求超高減重率要求的大口徑空間反射鏡的候選材料中不占優(yōu)勢(shì)，但是通過(guò)改變傳統(tǒng)的減重工藝，以及配合主動(dòng)光學(xué)技術(shù)可以對(duì)其材料性能的劣勢(shì)予以彌補(bǔ)。碳化硅陶瓷和金屬鈹作為空間光學(xué)材料，其比剛度/和熱學(xué)穩(wěn)定性/要明顯強(qiáng)于玻璃材料，因此通過(guò)加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的減重率，Herschel系統(tǒng)和JWST系統(tǒng)主鏡的面密度分別達(dá)到了25 kg/m2和35 kg/m2，證明了其良好的應(yīng)用潛力，從目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的大口徑空間系統(tǒng)反射鏡的研制計(jì)劃中可以發(fā)現(xiàn)，這兩種材料仍然是主流候選材料，但鈹鏡的加工需要特別的防護(hù)技術(shù)，只有美國(guó)JWST項(xiàng)目中見(jiàn)到了相關(guān)報(bào)道，更多的空間計(jì)劃中仍然以碳化硅材料為主。因此，可以預(yù)見(jiàn)在未來(lái)幾年中，碳化硅材料依舊是超大口徑空間反射鏡的主選材料。

目前可以用于大口徑空間反射鏡系統(tǒng)的碳化硅材料主要包括常壓燒結(jié)碳化硅(SSiC)、反應(yīng)結(jié)合碳化硅(RB-SiC)和短碳纖維增強(qiáng)的碳化硅(Cf/SiC)，三種采用不同制備工藝的碳化硅材料都可以應(yīng)用在大尺寸碳化硅空間反射鏡的研制中。三種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中常壓燒結(jié)碳化硅材料采用亞微米級(jí)的原料，燒結(jié)后的鏡面為晶粒尺寸非常細(xì)小的單相碳化硅材料，非常適合于光學(xué)加工，光學(xué)加工的極限表面粗糙度可以到達(dá)1 nm左右，但常壓燒結(jié)碳化硅致密化過(guò)程中收縮率高，必須采用精確的燒結(jié)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其尺寸一致性；反應(yīng)燒結(jié)碳化硅采用高溫滲硅工藝，致密化過(guò)程幾乎無(wú)收縮，尺寸精度控制相對(duì)容易，但反應(yīng)燒結(jié)碳化硅鏡面為雙相材料(SiC和殘余Si)，兩種材料硬度差異較大，無(wú)法直接加工出滿足可見(jiàn)光波段使用要求的表面粗糙度指標(biāo)，必須采用單相材料進(jìn)行表面改性，然后再加工，同時(shí)其鏡體的缺陷性容易被滲硅掩蓋，導(dǎo)致后面加工過(guò)程中暴露出來(lái)，該問(wèn)題必須通過(guò)嚴(yán)格的工藝控制才能解決；而纖維增強(qiáng)的碳化硅材料比較容易實(shí)現(xiàn)坯體成型，但其鏡面處存在纖維束，無(wú)法進(jìn)行光學(xué)加工，必須采用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)層進(jìn)行改性，覆蓋住纖維層，然后才能進(jìn)行光學(xué)加工。中科院上海硅酸鹽所長(zhǎng)期致力于常壓燒結(jié)碳化硅反射鏡材料的研制，制備的碳化硅材料的性能如表1所示。常壓燒結(jié)碳化硅材料的比剛度和熱學(xué)性能都非常優(yōu)異，通過(guò)嚴(yán)格的工藝技術(shù)控制，可以保證材料指標(biāo)的均勻一致性，非常適合于大尺寸碳化硅空間反射鏡的制造。

2.2 拼接成型大尺寸碳化硅空間反射鏡的制備

隨著反射鏡口徑的增加，其單體尺寸已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)成型和燒結(jié)設(shè)備的極限尺寸，因此采用拼接工藝制備大尺寸碳化硅反射鏡是一條可行的技術(shù)路線。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅和常壓燒結(jié)碳化硅都可以采用拼接技術(shù)路線進(jìn)行大尺寸碳化硅反射鏡的研制，對(duì)于反應(yīng)燒結(jié)碳化硅而言，其拼接階段是在滲硅前的素坯階段，其焊接面的加工精度要求相對(duì)較低，拼接后的多塊素坯在高溫滲硅過(guò)程中一步實(shí)現(xiàn)了焊縫連接和鏡體的致密化，其焊縫的微觀結(jié)構(gòu)接近母材成分，因此焊接應(yīng)力理論上較小，典型的如長(zhǎng)光所的制備技術(shù)路線[13]。而上硅所采用的拼接技術(shù)路線則是在碳化硅已經(jīng)實(shí)現(xiàn)致密化以后，通過(guò)釬焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)大尺寸化，焊接過(guò)程對(duì)焊接面的加工精度要求較高，異種焊接材料在焊接界面的應(yīng)力可以通過(guò)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和去應(yīng)力技術(shù)予以解決，典型技術(shù)路線如圖1所示，主要包括分塊鏡的設(shè)計(jì)制備、分塊鏡的精密加工、分塊鏡的精密組合和連接以及拼接鏡的光學(xué)加工和檢測(cè)等。

表1 大尺寸空間反射鏡材料性能

*中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研制的常壓燒結(jié)碳化硅

2.2.1 拼接式碳化硅反射鏡中分塊鏡的設(shè)計(jì)制備和精密加工

分塊鏡的設(shè)計(jì)要在滿足大尺寸碳化硅反射鏡整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行適合連接工藝的專門設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注焊接界面的可加工性、連接強(qiáng)度、組合方式等因素。一般圓形結(jié)構(gòu)的大尺寸碳化硅空間反射鏡的分塊鏡常采用扇形的分塊子鏡結(jié)構(gòu)，如歐空局的Herschel太空望遠(yuǎn)鏡的主鏡就是采用的12片扇形分塊鏡的結(jié)構(gòu)。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研制的1.0 m口徑碳化硅拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡同樣采用了扇形分塊鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮到離軸光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，此技術(shù)驗(yàn)證鏡采用了6塊扇形分塊鏡與一塊圓形分塊鏡組合的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，鏡面為無(wú)通光口的球面結(jié)構(gòu)，是拼接式碳化硅反射鏡中研制難度較大的一種類型，對(duì)于各分塊鏡的加工精度和組合精度要求較高。非對(duì)稱結(jié)構(gòu)分塊鏡的制備需要精密控制其燒結(jié)變形以保持尺寸一致性，通過(guò)嚴(yán)格的致密化尺寸控制技術(shù)，6塊分塊鏡的內(nèi)徑、外徑、高度等尺寸精度可以控制在±2.5‰以內(nèi)，分塊鏡尺寸一致性的精確控制可以保障后繼拼接精度的穩(wěn)定性。為完成各分塊鏡高精度組合和連接，需要對(duì)各分塊鏡的焊接面和基準(zhǔn)進(jìn)行高精度的加工，分塊鏡的精密加工需要設(shè)備、刀具、人員的密切配合，通過(guò)嚴(yán)格檢測(cè)分塊鏡部件才能應(yīng)用于大尺寸碳化硅空間反射鏡的組合和連接中。1.0 m碳化硅拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡的扇形分塊鏡經(jīng)過(guò)加工后的照片如圖2所示。

2.2.2 拼接成型碳化硅反射鏡的連接制備和光學(xué)加工

碳化硅陶瓷的連接技術(shù)是大尺寸碳化硅空間反射鏡制備的關(guān)鍵技術(shù)，大尺寸碳化硅反射鏡對(duì)連接材料體系的要求主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1) 連接材料體系能夠?qū)μ沾蓾?rùn)濕或者擴(kuò)散，進(jìn)而形成可靠的、高強(qiáng)度的化學(xué)連接；2) 連接界面的應(yīng)力狀態(tài)要可控，通過(guò)合理的焊料體系優(yōu)選、連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)或者去應(yīng)力處理技術(shù)，保證焊接界面的應(yīng)力狀態(tài)不對(duì)光學(xué)加工后的面形穩(wěn)定性造成影響；3) 連接材料體系的形態(tài)應(yīng)具有工程適用性，可以通過(guò)涂覆、鋪展等手段布置在連接界面；4) 連接溫度不宜過(guò)高，過(guò)高的連接溫度會(huì)對(duì)碳化硅材料性能產(chǎn)生影響。連接性能除了常規(guī)的試驗(yàn)檢測(cè)方式，最重要的是需要通過(guò)拼接反射鏡光學(xué)加工后的面形指標(biāo)和后繼的環(huán)境模擬試驗(yàn)予以驗(yàn)證。完成連接制備的1.0 m口徑碳化硅拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡鏡坯如圖3，焊縫部位連接材料填充飽滿，整體結(jié)構(gòu)完整無(wú)缺陷。我們對(duì)1.0 m口徑的碳化硅拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡進(jìn)行光學(xué)加工，與整體式碳化硅反射鏡類似，拼接式碳化硅反射鏡的剛度完全滿足面形加工要求，焊縫部位的存在沒(méi)有影響到光學(xué)加工后的面形，經(jīng)過(guò)光學(xué)加工后的反射鏡面形RMS達(dá)到了0.038(=632.8 nm，后面相同)，光學(xué)加工后的拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡照片及檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖1 大尺寸碳化硅拼接式反射鏡的制備技術(shù)路線

圖2 經(jīng)過(guò)機(jī)械加工的扇形碳化硅分塊鏡。(a) 鏡面；(b) 背面

圖3 1.0 m口徑碳化硅拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡照片。(a) 鏡面；(b) 背面

圖4 1.0 m口徑碳化硅拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡光學(xué)加工后照片及檢測(cè)結(jié)果。(a) 光學(xué)加工后照片；(b) 面形

3 拼接成型碳化硅反射鏡的環(huán)境模擬試驗(yàn)

基于空間服役條件的環(huán)境模擬試驗(yàn)是拼接成型碳化硅反射鏡走向工程應(yīng)用的必要條件，在前期1.0 m口徑拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡的基礎(chǔ)上，我們開(kāi)展了包括熱真空、振動(dòng)、輻照在內(nèi)的多種環(huán)境模擬測(cè)試，檢驗(yàn)拼接式碳化硅反射鏡的工程應(yīng)用可靠性。

3.1 熱真空模擬試驗(yàn)

空間反射鏡的服役環(huán)境為真空條件，并且需要面對(duì)冷熱交替的情況，因此通過(guò)地面的熱真空測(cè)試可以模擬其空間的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，檢驗(yàn)反射鏡面形的穩(wěn)定性。將1.0 m口徑碳化硅拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡置于真空罐體內(nèi)，并且進(jìn)行溫度的交替變化，完成試驗(yàn)后，鏡子在與原始測(cè)試條件相同的溫度和濕度條件下進(jìn)行面形測(cè)試，考核試驗(yàn)前后的面形變化情況，表2給出了熱真空的測(cè)試條件。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷熱真空試驗(yàn)后，拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡的面形RMS為0.037，與原始面形RMS 0.038相比較，變化非常微小，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果證明1.0 m口徑的碳化硅拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡的連接材料和鏡體材料和熱學(xué)匹配性良好，經(jīng)歷真空和溫度變化條件后，面形基本保持不變，為后繼更大尺寸碳化硅拼接鏡的研制提供了可靠的試驗(yàn)支撐。

3.2 振動(dòng)模擬試驗(yàn)

空間反射鏡系統(tǒng)需要面對(duì)運(yùn)輸以及火箭發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)條件，其光學(xué)面形應(yīng)該保持不變，與整體式碳化硅反射鏡比較，拼接式碳化硅反射鏡存在連接層結(jié)構(gòu)，因此其力學(xué)性能(連接強(qiáng)度和剛度)的考核必須通過(guò)拼接式反射鏡的振動(dòng)測(cè)試進(jìn)行。在完成1.0 m口徑拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡的熱真空試驗(yàn)后，我們進(jìn)行了包括正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)在內(nèi)的振動(dòng)試驗(yàn)考核，考核拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡在振動(dòng)前后的面形RMS的變化情況，面形測(cè)試的溫度和濕度條件恒定，振動(dòng)后的鏡子要在恒溫恒濕條件下靜置24 h后再進(jìn)行面形測(cè)試。圖6給出了1.0 m口徑拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡振動(dòng)前后的面形測(cè)試結(jié)果，其中振動(dòng)前(熱真空測(cè)試后)面形RMS為0.037，振動(dòng)后面形RMS測(cè)試結(jié)果為0.036，變化范圍非常小，振動(dòng)測(cè)試的結(jié)果可以對(duì)拼接反射鏡的剛度、拼接強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從實(shí)際測(cè)試結(jié)果可以看出，1.0 m口徑拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡的拼接強(qiáng)度和整體剛度指標(biāo)可以滿足工程應(yīng)用的需求，對(duì)更大尺寸拼接式碳化硅反射鏡的工程應(yīng)用提供借鑒作用。

表2 1.0 m口徑碳化硅拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡的熱真空試驗(yàn)條件

圖5 1.0 m口徑碳化硅拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡熱真空試驗(yàn)前后面形變化。(a) 測(cè)試前；(b) 測(cè)試后

圖6 1.0 m口徑碳化硅拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡振動(dòng)試驗(yàn)前后面形變化。(a) 振動(dòng)試驗(yàn)前；(b) 振動(dòng)試驗(yàn)后

3.3 抗輻照性能模擬試驗(yàn)

空間反射鏡長(zhǎng)時(shí)間工作在太空高輻照的環(huán)境中，太空中各種高能射線對(duì)反射鏡表面高反膜的反射率性能具有一定的影響，單體碳化硅材料的抗輻照性能已經(jīng)通過(guò)考核，但拼接式反射鏡中連接材料和鏡體之間存在過(guò)度的焊縫區(qū)域，因此其耐輻照性能應(yīng)該通過(guò)模擬考核予以驗(yàn)證?？己嗽囼?yàn)在60Co γ射線源下完成，由于樣品尺寸的限制，因此本次考核我們采用與1.0 m口徑拼接技術(shù)驗(yàn)證鏡相同連接工藝制備了F100 mm的拼接鏡樣品，并且進(jìn)行了光學(xué)加工和鍍膜，如圖7所示，采用此拼接鏡樣品進(jìn)行抗輻照測(cè)試，具體的試驗(yàn)條件如表3所示。從圖8輻照前后反射率的變化可以發(fā)現(xiàn)，在輻照環(huán)境下焊縫的存在并沒(méi)有對(duì)反射鏡的反射率形成影響，其反射率在輻照前后基本保持不變。

圖7 用于抗輻照性能測(cè)試的F100 mm拼接式 碳化硅反射鏡鍍膜后照片

表3 F100 mm碳化硅拼接鏡的抗輻照空試驗(yàn)條件

圖8 鍍膜處理的F100 mm拼接式碳化硅反射鏡輻照前后反射率變化

4 結(jié) 論

隨著深空探測(cè)和對(duì)地觀測(cè)分辨率需求的提升，大尺寸空間反射鏡的需求也將越來(lái)越大，以碳化硅材料和拼接為特征的制備技術(shù)是一條重要且可行的技術(shù)途徑。通過(guò)1.0 m口徑碳化硅拼接式技術(shù)驗(yàn)證鏡的設(shè)計(jì)、制備和光學(xué)加工，驗(yàn)證了常壓燒結(jié)碳化硅通過(guò)分塊鏡連接技術(shù)制備高減重、高剛度大尺寸空間光學(xué)系統(tǒng)的可行性；通過(guò)熱真空、振動(dòng)、抗輻照等環(huán)境模擬測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了其工程適用性，為未來(lái)更大尺寸的碳化硅空間反射鏡系統(tǒng)的研制與工程應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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Preparation and environmental simulation tests of large-size silicon carbide brazed reflection mirrors

Liu Yan*, Zhang Hui, Liu Leimin, Yang Xiao, Huang Jian, Liu Xuejian, Chen Zhongming, Huang Zhengren

Structural Ceramic and Composite Engineering Center, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China

1.0 m aperture SiC brazed mirror

Overview:In recent years, deep space exploration space telescope and high resolution remote sensing systems are experiencing rapid development. As key part of space optic system, large-size reflecting mirrors is intensively needed. With the progress of large-size space mirrors, material and fabrication technology are facing more serious challenges. As candidate optic materials to fabricate large-size mirrors, it should have higher specific stiffness (/), better thermal properties (/), high lightweight and excellent isotropy. Among all the optic materials, such as Zeroduo glass ceramics, ULE glass, beryllium and silicon carbide, silicon carbide is especially suitable for the preparation of large-size space mirrors with its excellent properties, which has been chosen in some space programs by several countries. So, from the angle of material, silicon carbide is becoming the main-stream optic material to fabricate large-size space mirrors. However, restrained by preparation progress and equipment size, it is difficult to fabricate large-size monolithic space mirrors. So, brazing segments to assemble is a good technical path to solve the difficulty, which has realized engineering application in Herschel space telescope. Shanghai Institute of Ceramics have been involving the study of Sintered silicon carbide material space mirrors and joining technology of silicon carbide for a long time, and in this paper taking a 1.0 m aperture silicon carbide brazed technical validation mirror as example, the fabrication progress of brazed mirror was analyzed. Meanwhile, in order to evaluate engineering applicability of the brazed mirror, several environmental simulation tests, including thermal-vacuum test, vibration test and anti-radiation teste were performed. The 1.0 m aperture brazed mirror was designed as the structure of 6 fan-shape segments and 1 circular segment, which can be used for the off-axis optical system. Using the proper brazing material and optimized joining structure, the 1.0 m aperture brazed mirror was successfully fabricated. Then, the 1.0 m aperture brazed mirror was carried out optical machining, and the surface figure RMS was 0.038(=632.8 nm), indicating stiffness of the brazed mirror is satisfied with requirements of optic machining. The 1.0 m aperture brazed mirror was first performed thermal-vacuum test with the condition of 10-3Pa vacuum and 15~25 centigrade Celsius temperature cycle, and the surface figure was 0.037after the thermal-vacuum test. Then, the 1.0 m aperture brazed mirror was performed vibration test, and surface figure was 0.036after the vibration test. Finally, the brazed mirror of 100 mm aperture was carried out anti-radiation test in order to evaluate the effect of high energy rays on the reflectivity of the brazed mirror, and the experiment showed that the reflectivity of the brazed mirror after coating kept basically constant after60Co γ ray radiation. The environmental simulation tests indicated that the brazed mirrors have better engineering applicability.

Citation: Liu Y, Zhang H, Liu L M,Preparation and environmental simulation tests of large-size silicon carbide brazed reflection mirrors[J]., 2020, 47(8): 200088

Preparation and environmental simulation tests of large-size silicon carbide brazed reflection mirrors

Liu Yan*, Zhang Hui, Liu Leimin, Yang Xiao, Huang Jian, Liu Xuejian, Chen Zhongming, Huang Zhengren

Structural Ceramic and Composite Engineering Center, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China

With the space technologies progress rapidly, demand of large-size mirrors is intensively growing. In this paper, the developing trend of large-size space mirrors was discussed from the angles of material and fabrication technology. Taking 1.0 m aperture technical validation brazed mirror as an example, the design and fabrication of segments, joining and optic machining were analyzed. In addition, the 1.0 m aperture technical validation brazed mirror was performed environmental tests including thermal-vacuum test, vibration test and anti-radiation test in order to evaluate its engineering applicability. The experimental results show that the surface figure of the 1.0 m aperture technical validation brazed mirror changed from 0.038(=632.8 nm) to 0.037and 0.036after thermo-vacuum test and vibration test. Additionally, reflectivity of the brazed mirror basically kept stable after60Co γ-ray radiation test, indicating a brilliant application prospect.

large-size silicon carbide space mirror; joining; surface figure; environmental simulation tests

TH74；TQ174

A

10.12086/oee.2020.200088

: Liu Y, Zhang H, Liu L M,. Preparation and environmental simulation tests of large-size silicon carbide brazed reflection mirrors[J]., 2020,47(8): 200088

劉巖，張輝，劉雷敏，等. 大尺寸拼接式碳化硅反射鏡的研制及環(huán)境模擬試驗(yàn)[J]. 光電工程，2020，47(8): 200088

Supported by National Natural Science Foundation of China (51972320)

* E-mail: stony2000@mail.sic.ac.cn

2020-01-09；

2020-05-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51972320)

劉巖(1975-)，男，博士，研究員，主要從事碳化硅陶瓷先進(jìn)連接技術(shù)的研究。E-mail：stony2000@mail.sic.ac.cn