劉韜 周一鳴 江月松

(1 北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

(2 北京空間科技信息研究所，北京 100086)

1 引言

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，大口徑、輕量化的空間反射鏡成為天基偵察監(jiān)視系統(tǒng)、激光雷達(dá)系統(tǒng)、空間大口徑天文望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵部件。反射鏡的材料選取和鏡坯加工能力直接影響著光學(xué)遙感衛(wèi)星的成像性能。光學(xué)遙感衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量、熱控要求、平臺與望遠(yuǎn)鏡的支撐結(jié)構(gòu)都與反射鏡的材料選取相關(guān)。因此，展開對大口徑空間反射鏡材料特性和鏡坯制備方法的研究非常重要。

本文重點研究國外常用的空間反射鏡材料的特性和鏡坯制備方法，并介紹國外正在預(yù)研的碳化硅(SiC)復(fù)合材料。詳細(xì)調(diào)研了各類材料的實際在軌應(yīng)用情況，分析總結(jié)了各類材料的適用范圍。在本文的研究中，一般限定大于1m的口徑為大口徑。

2 空間反射鏡材料及鏡坯初加工

現(xiàn)階段，對地觀測衛(wèi)星的成像系統(tǒng)絕大部分仍在使用反射式光學(xué)系統(tǒng)，因此，空間反射鏡必須滿足空間運(yùn)行環(huán)境對熱膨脹特性的要求，空間反射鏡材料主要考慮材料的結(jié)構(gòu)特性和熱性能，結(jié)構(gòu)特性是指材料的剛度、彈性模量等，熱性能是指材料的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)、導(dǎo)熱系數(shù)和熱變形系數(shù)等。目前國外天基光學(xué)成像系統(tǒng)所使用的具有超低熱膨脹特性的材料有美國康寧公司(Corning)生產(chǎn)的超低膨脹玻璃(ULE)、德國肖特集團(tuán)(SCHOTT)生產(chǎn)的微晶玻璃(Zerodur)，以及SiC和金屬鈹(Be)等幾種材料[1-6]。ULE、Zerodur和SiC的性能參數(shù)如表1所示[1]。ULE和Zerodur都屬于玻璃材料，其CTE很低，已經(jīng)在對地觀測衛(wèi)星中得到了廣泛應(yīng)用。但這些材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，即彈性模量較低，具有高彈性模量的SiC和鈹作為后續(xù)材料逐漸發(fā)展成熟。其中鈹主要適用于運(yùn)行在空間低溫環(huán)境下、工作在紅外波段的望遠(yuǎn)鏡，但是鈹本身的毒性使加工難度大，并且成本較高，目前國外在對地觀測領(lǐng)域已很少采用鈹制造空間反射鏡。SiC作為從20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的鏡片材料，由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和熱性能，在克服了光學(xué)加工困難后，在空間應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為極具潛力的空間反射鏡材料。

表1 主要反射鏡材料的性能參數(shù)Tab.1 The properties of typical m irror materials

2.1 超低膨脹玻璃

ULE是一種二氧化鈦—硅酸鹽玻璃，其絕對熱膨脹系數(shù)(mean CTE)在5℃～35℃內(nèi)極低(見表1)[2]，因此熱穩(wěn)定性極好。同時ULE密度小，冷熱加工性能良好，材料制備、光學(xué)加工和工程應(yīng)用也較成熟。

康寧公司在生產(chǎn) 4～8m量級的大口徑反射鏡鏡坯時，通常采用六邊形晶錠封接法，并且注意鏡坯 CTE的一致性與鏡坯的純凈度。制作時首先使用火焰水解技術(shù)(flame hydrolysis)在耐火材料成形爐中加工成ULE晶錠(boule)。其具體過程如下：硅和鈦前體在氧氣火焰中反應(yīng)，由SiO2、TiO2組成的生成物隨后被轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)爐具中，最終固化為ULE晶錠；晶錠形成后，放入退火爐中進(jìn)行精確可控的退火。退火過程可以減少大部分熱應(yīng)力[7]。

典型的ULE晶錠的直徑為1.5m，厚150mm，晶錠成形后，必須移除晶錠周圍的耐火材料。之后進(jìn)行研磨，研磨后標(biāo)準(zhǔn)的ULE晶錠直徑約為1.47m，厚度約為147mm。ULE晶錠的CTE一致性非常好。從晶錠的中心到邊緣，CTE都是一個常數(shù)。ULE晶錠的加工過程不但要保證CTE的一致性，還要保證每批次的產(chǎn)品具備相同的特性。

CTE一致性的檢測原理基于超聲波波速檢測法?？祵幑臼褂脽o損的超聲波波速法檢測ULE的CTE，方法是沿徑向從晶錠中心到邊緣，以2英寸(5.08cm)步長值進(jìn)行檢測。在玻璃基底中的TiO2和SiO2的比值決定了CTE，此外CTE也受到普通玻璃性質(zhì)的影響。TiO2濃度影響玻璃的密度和楊氏模量，而這2種參數(shù)影響穿過玻璃的超聲波波速。在規(guī)定溫度下，測量超聲波通過ULE晶錠的時間(超聲波穿過標(biāo)準(zhǔn)ULE晶錠前后表面的時間一般接近ns量級)，該時間與ULE晶錠厚度的值就可以計算出超聲波波速。

在鏡坯純凈度的檢測方面，康寧公司使用折射率匹配液、強(qiáng)光光源和深度測量顯微鏡對晶錠的內(nèi)含物進(jìn)行檢測。檢測對象是大于0.12mm的內(nèi)含物，大于1mm的內(nèi)含物需要定位。還需要使用偏振計對晶錠的雙折射特性進(jìn)行測量，以確定內(nèi)應(yīng)力的值。

康寧公司制作8m級大口徑超低膨脹玻璃鏡坯的過程如圖1所示。ULE鏡坯制造完成后的下一步工序是對鏡坯進(jìn)行輕量化處理。對于ULE反射鏡，通常采用蜂窩夾芯式輕量化結(jié)構(gòu)，由鏡片上下面板和中間的蜂窩結(jié)構(gòu)組成，按照圖1所示的加工流程分3次進(jìn)行，即可制作出這3部分。對于鏡坯的輕量化，主要是制造中間的多孔蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通常使用數(shù)控機(jī)床機(jī)械減重或者水刀減重等方法在鏡坯上鉆孔形成蜂窩夾芯層。鏡坯輕量化后，一般還需進(jìn)行酸洗腐蝕，該工序的目的有2個：一是進(jìn)一步減重，二是減少加工應(yīng)力。這種方法對ULE和Zerodur都適用。

圖1 康寧公司六邊形封接8m級ULE反射鏡鏡坯制造流程Fig.1 Corning hex seal process used for 8-meter class telescope mirror blanks

圖2 蜂窩結(jié)構(gòu)的ULE鏡坯Fig.2 The honeycomb structure of ULE blank

上下面板和中間的蜂窩結(jié)構(gòu)的連接可以使用高溫熔接法、低溫熔接法或熔接物封接法。這3種方法的加工特性如表2所示。

表2 康寧公司熔接法設(shè)計指標(biāo)對比Tab.2 Comparison of design specifications for different bonding techniques

1)高溫熔接法。對于高溫熔接過程，各部分玻璃鏡片都放置在氧氣爐內(nèi)。氧氣爐預(yù)熱到臨近退火溫度，之后快速將溫度提升至約1 700℃，持續(xù)數(shù)分鐘后再降溫到退火溫度，最后以可控方式降溫到室溫。這種熔接方式所需溫度較高，加工過程中面板會下沉到蜂窩的中心，導(dǎo)致厚度發(fā)生變化，夾芯結(jié)構(gòu)中的孔壁結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)彎曲，最終前后面板和夾芯結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定變形。為了使變形最小化，高溫熔接與其他連接技術(shù)相比，需要的鏡片質(zhì)量最大。

2)低溫熔接法。低溫熔接的溫度僅略微高于玻璃材料的退火溫度。進(jìn)行低溫熔接的表面必須拋光并且具有匹配的面形。熔接過程如下：首先將已拋光的鏡片放置于電熔爐中，將各部分鏡片熔接在一起，然后將鏡坯退火。低溫熔接中，鏡片變形極小，所以使用低溫熔接技術(shù)可以制造具有非常低的面密度的輕量化鏡坯。低溫熔接的熔接強(qiáng)度高于高溫熔接。

3)熔接物封接法。20世紀(jì)80年代初期，康寧公司發(fā)明了熔接物封接法，以制造輕量化反射鏡。使用熔接物封接，其夾芯結(jié)構(gòu)輕量化率可達(dá)98%。進(jìn)行熔接物封接前，需要清潔鏡片并進(jìn)行表面酸蝕。封接物是一種玻璃粉和有機(jī)物的混合物，熔接物的熱膨脹特性必須與鏡片高度匹配，以使殘余應(yīng)變最小，這樣才能制成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的鏡坯。鏡片被放置在電熔爐中進(jìn)行熔接，熔接物的加熱溫度低于玻璃的退火溫度。熔接物封接的強(qiáng)度可超過3.45×107Pa。美國“地球之眼”-1(Geoeye-1)衛(wèi)星的口徑1.1m主鏡在制造時也采用了熔接物封接方法。

2.2 微晶玻璃

微晶玻璃是以鋰鋁硅系玻璃為主，加入少量TiO2、ZrO2和P2Q5等制成，其中，TiO2和ZrO2作為晶核形成劑，P2Q5作助熔劑，使玻璃在適合的熱處理溫度下析出含鋰鋁硅酸鹽的β-SiO2固熔體微小晶體。這種晶體具有負(fù)膨脹特性，同時基質(zhì)玻璃具有低膨脹系數(shù)，這使得微晶玻璃具有近零膨脹特性，同時，機(jī)械強(qiáng)度也比較高。

對于小口徑微晶玻璃鏡坯的制備，原料通過鑄造處理確保產(chǎn)生適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶混合物。然后鏡坯使用常規(guī)的光學(xué)玻璃加工方法進(jìn)行加工。

對大型的鏡片，首選旋轉(zhuǎn)澆鑄技術(shù)(Spin Casting)。旋轉(zhuǎn)澆鑄技術(shù)需要巨大的熔爐，對于8m鏡坯，其質(zhì)量可達(dá)40t[8]。整套加工過程包括：往模具中填充玻璃原料；轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)澆鑄設(shè)備中；旋轉(zhuǎn)以達(dá)到需要的面形；直到鑄件具備一定的粘度以使鑄件可以保持形狀；轉(zhuǎn)移到退火爐降到室溫。

該技術(shù)難度在于模具和其支撐系統(tǒng)必須補(bǔ)償微晶玻璃鏡坯的收縮。在澆鑄階段，微晶玻璃仍然顯示玻璃的特性，其CTE值約為3×10–6/K[8]，降溫導(dǎo)致的應(yīng)力對于一整塊表面仍然存在瑕疵的鏡坯是十分危險的。因此，支撐系統(tǒng)基于有限元分析法設(shè)計，以調(diào)節(jié)在降溫過程中改變的鏡坯輪廓。下一步是微晶化過程(Ceramization)，這個過程需要精確的回火，生成具有負(fù)CTE的微小晶體以補(bǔ)償具有正CTE的玻璃，最終形成近零膨脹材料。對于空間望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行，CTE的高度一致性是非常重要的，因此微晶化過程必須保證一定的溫差，方法是極慢地改變溫度，所以微晶化過程是所有加工過程中最慢的。微晶化過程中，微晶玻璃要收縮 3%，所以支撐系統(tǒng)必須考慮這一點。微晶化過程結(jié)束后打中心孔，通過研磨形成凸面或凹面。

加工過程中需要多次搬運(yùn)鏡坯，因此搬運(yùn)也是一個關(guān)鍵步驟。搬運(yùn)設(shè)備必須保證對重達(dá) 40t的鏡坯任意一點的張應(yīng)力在1MPa以下，任何差錯都將導(dǎo)致鏡坯彎曲變形。

2.3 碳化硅

ULE、Zerodur比剛度和CTE等性能指標(biāo)難以兼顧。SiC以其較高的彈性模量，適中的密度，較高的導(dǎo)熱系數(shù)，高比剛度和較低的熱變形系數(shù)等一系列優(yōu)秀的物理性質(zhì)，引起了各國的廣泛關(guān)注。

SiC因制備工藝不同可分為熱壓燒結(jié)碳化硅(HP-SiC)、常壓燒結(jié)碳化硅(S-SiC)、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅(RB-SiC)和化學(xué)氣相沉積碳化硅(CVD-SiC)。目前工程上常用的 SiC反射鏡基底材料主要是 S-SiC和RB-SiC這2種，S-SiC鏡坯和RB-SiC鏡坯加工流程如圖3、4所示[3,9]。

由于制備工藝的原因，RB-SiC材料中包含了SiC和Si兩相成份，而它們物理特性的差異導(dǎo)致在拋光過程中兩相成份的去除速率不相同，很容易在兩相成份的交界處形成臺階，使基底表面凸凹不平，降低表面的光學(xué)品質(zhì)；而對于S-SiC材料，雖然其成份單一，但材料內(nèi)部存在大量的孔洞。因此，為滿足空間應(yīng)用要求，必須對SiC基底表面進(jìn)行改性，設(shè)法降低SiC基底表面的粗糙度，降低基底表面的光散射損耗，以獲得較高的光學(xué)反射率[9]。

圖4 美國SSG公司RB-SiC的澆鑄加工流程Fig.4 RB SiC Slip Cast Manufacturing Process Flow

目前，國際上較為流行的SiC基底表面改性方法主要有2種：1)在基底表面上用化學(xué)氣相沉積方法制備SiC改性層(CVD SiC)進(jìn)行改性；2)用物理氣相沉積方法制備Si改性層(PVD Si)進(jìn)行改性。

表3總結(jié)了國外1～2m口徑SiC的制造能力[10]，另外，通過焊接工藝可以制造更大口徑的SiC鏡坯。焊接過程中需要將2塊鏡坯穩(wěn)定地裝配在一起，在結(jié)合處上方放置焊接劑，高溫熔化焊接劑使結(jié)合面粘接在一起。

根據(jù)表1，SiC的比剛度優(yōu)勢非常明顯(比剛度為彈性模量除以密度)，比剛度越高，該材料實現(xiàn)相同機(jī)械性能的輕量化能力越好，可以最大程度地降低鏡體質(zhì)量，降低發(fā)射成本。雖然SiC的CTE劣于ULE和Zerodur，但由于導(dǎo)熱系數(shù)較高，使熱變形特性(CTE除以導(dǎo)熱系數(shù)[11])和ULE和Zerodur相似。

Herschel空間望遠(yuǎn)鏡的SiC制3.5m口徑主鏡具有21.8kg/m2的面密度[12]。因此在反射鏡面密度的控制方面，SiC和ULE相似，綜合各項指標(biāo)可知，SiC具有一定的綜合優(yōu)勢，是目前制備大口徑輕量化結(jié)構(gòu)反射鏡坯體的候選材料。

表3 國外1～2m口徑SiC制造能力Tab.3 Manufacturing capacity of SiC m irror in 1～2 meter sizes

由于SiC本身的脆性很大，難以大尺寸整體成型，而國外正在預(yù)研的碳纖維增強(qiáng)SiC (C/SiC)復(fù)合材料結(jié)合了碳纖維的優(yōu)點，提高了材料的韌性，更易于機(jī)械加工，適于大尺寸整體成型，利于反射鏡支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[13-14]。更重要的是其熱膨脹系數(shù)比S-SiC和RB-SiC更低[14-15]。日本擬于2018年發(fā)射的SPICA空間天文望遠(yuǎn)鏡就將 C/SiC作為侯選材料之一，SPICA主鏡是整體成型，不同于 Herschel主鏡的焊接成型。

日本SPICA主反射鏡預(yù)研的C/SiC復(fù)合材料的加工流程如圖5所示。該研制工作由日本和德國ECM公司合作進(jìn)行。該C/SiC復(fù)合材料的加工使用了液相滲硅法(Liquid silicon infiltration，LSI)，其主要過程是在高溫真空環(huán)境中用熔融的硅對多孔C/C復(fù)合材料進(jìn)行浸滲處理，使液態(tài)硅在毛細(xì)作用下滲入C/C多孔體中，并與C組分發(fā)生反應(yīng)生成C/SiC復(fù)合材料。目前，日、德已經(jīng)具備制造3m口徑C/SiC反射鏡的能力。

圖5 SPICA望遠(yuǎn)鏡C/SiC復(fù)合材料的加工流程Fig.5 Fabrication process of C/SiC composites for SPICA

3 超低膨脹玻璃、微晶玻璃和碳化硅的空間應(yīng)用

3.1 超低膨脹玻璃的空間應(yīng)用

ULE在常溫下(5℃～35℃)具有近零的CTE，因此ULE適用于空間的常溫環(huán)境，采用ULE制造的大口徑反射鏡見表4。ULE的另一個特點是可以制造背部封閉式結(jié)構(gòu)的反射鏡，該結(jié)構(gòu)可以使反射鏡擁有連續(xù)的單片式前面板和后背板。而目前的加工工藝無法使用微晶玻璃制造完全背部封閉式的反射鏡(封閉式結(jié)構(gòu)的剛度大于開放式)。在輕量化方面，目前經(jīng)過在軌驗證的1.5m級ULE鏡的面密度可以達(dá)到小于10kg/m2的水平，而微晶玻璃面密度只達(dá)到約45kg/m2[16]。

表4 采用ULE制造的大口徑反射鏡Tab.4 Large aperture mirrors made of ULE

3.2 微晶玻璃的空間應(yīng)用

Zerodur適用于從X射線到紅外的工作波段，表5所示的在軌應(yīng)用情況表明，目前Zerodur適用于制造口徑不大于1.5m的天基反射鏡，原因在于微晶玻璃的輕量化水平比ULE差，并且鏡坯剛度低于ULE鏡坯。對于陸基應(yīng)用，微晶玻璃加工難度比ULE低，所以世界上很多陸基望遠(yuǎn)鏡，不論單片式還是分塊式，都大量使用了Zerodur。肖特集團(tuán)采用Zerodur制造的陸基8m口徑歐洲“甚大望遠(yuǎn)鏡”(VLT)是Zerodur在超大口徑反射鏡制造上的里程碑。目前肖特集團(tuán)常規(guī)可以提供 4.2m直徑以內(nèi)的各種微晶材料[17-19]。表6為Zerodur在陸基望遠(yuǎn)鏡中的應(yīng)用。

3.3 碳化硅的空間應(yīng)用

歐洲航天局(ESA)的赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡是SiC制造的迄今為止最大的天基單鏡面望遠(yuǎn)鏡，它于2009年5月14日由“阿里安”(Ariane)運(yùn)載火箭從庫魯發(fā)射場成功發(fā)射。赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡的成功在軌運(yùn)行使世界各國的研究者更加致力于SiC的研制。

表5 采用Zerodur作為空間相機(jī)鏡頭制造材料的航天器或載荷Tab.5 Space m issions using Zerodur material

表6 采用微晶玻璃制造的分塊拼接式陸基望遠(yuǎn)鏡Tab.6 Large segmented telescopes made of Zerodur mirror segments

赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)是一個焦距為28.5m的標(biāo)準(zhǔn)卡塞格林系統(tǒng)，由1個口徑為3.5m的拋物面主鏡和1個雙曲面次鏡組成。其中主鏡由12塊SiC鏡片焊接而成。焊接過程如下：將12片花瓣型SiC鏡片精確地放置在銅焊爐中，經(jīng)過加溫焊接后形成1片整體反射鏡鏡坯。之后進(jìn)行鏡坯的研磨，整個研磨過程花費(fèi)了 4個月。光學(xué)鏡面厚 3mm，上面鍍 1層 350nm的鋁膜來增加反射率。該望遠(yuǎn)鏡以57～670mm的紅外和次毫米波掃描天際，主光學(xué)系統(tǒng)工作溫度為 90K，結(jié)構(gòu)質(zhì)量僅為 210kg，其扇形體為開放式三角形加強(qiáng)筋輕量化設(shè)計，加強(qiáng)筋高度從扇形體中心的110mm減小到邊緣的10mm，大大減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。法國布斯泰克公司(Boostec)制造了SiC鏡坯。

4 各類材料特性及適用范圍分析

本文分析了空間反射鏡鏡坯材料特性、鏡坯的加工流程和特點，并調(diào)研了空間材料的在軌應(yīng)用實例，結(jié)合材料各自的特性，歸納各類材料的適用范圍。

(1) 適用于大口徑空間反射鏡的材料

對于大口徑空間反射鏡，在低軌應(yīng)用中，ULE是空間反射鏡的主要候選材料，適用于從X射線到近紅外波段。ULE的輕量化率比Zerodur高，并且可以應(yīng)用背部封閉式結(jié)構(gòu)，使反射鏡剛度較大。

在對地觀測衛(wèi)星中，當(dāng)前利用微晶玻璃制造大口徑空間反射鏡的技術(shù)還不成熟，原因是現(xiàn)在無法使用微晶玻璃制造背部封閉式鏡坯；而陸基大口徑望遠(yuǎn)鏡主要候選材料是微晶玻璃，因為其加工速度比ULE快，成本也比較低。

隨著 SiC技術(shù)的逐漸成熟，越來越多的航天企業(yè)選擇 SiC制造鏡坯。法國阿斯特留姆公司對法國BOOSTEC公司進(jìn)行了大量投資，以研制大口徑SiC反射鏡。但大口徑SiC反射鏡的研制還有尚待解決的問題，既在對地觀測領(lǐng)域，尤其是可見光波段，需要謹(jǐn)慎考慮熱梯度對SiC反射鏡面形的影響[20]，原因是SiC的CTE劣于ULE和Zerodur；如果望遠(yuǎn)鏡工作在遠(yuǎn)紅外到亞毫米波波段，熱梯度對SiC反射鏡面形的影響較小。C/SiC的CTE比SiC更低，使得它在空間應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。另外，SiC的硬度很高，使用促動器的成本也是天基應(yīng)用必須要考慮的問題。

對于工作在空間低溫環(huán)境下的大口徑紅外望遠(yuǎn)鏡，Be和SiC都是主要候選材料。

(2) 適用于小口徑空間反射鏡的材料

對于小口徑空間反射鏡，超低膨脹玻璃、微晶玻璃和SiC都基本滿足要求，相關(guān)技術(shù)也基本發(fā)展成熟。近年法國在多顆中分辨率對地觀測衛(wèi)星中使用了SiC，如SPOT-6等。

5 結(jié)束語

當(dāng)前，國外仍投入大量財力對上述各種材料的制備和加工技術(shù)進(jìn)行研究，美國開展了將8m口徑ULE鏡坯用于天基空間望遠(yuǎn)鏡的概率論證工作，德國肖特集團(tuán)正在努力研制天基大口徑微晶玻璃鏡坯，法國也基于3.5m口徑赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡的成功經(jīng)驗積極研制4m口徑的SiC反射鏡，以用于靜止軌道高分辨率光學(xué)對地觀測衛(wèi)星上?；趪獾陌l(fā)展情況，建議中國對ULE、微晶玻璃和SiC進(jìn)行深入研究，尤其是在大口徑鏡坯的制造技術(shù)上進(jìn)行攻關(guān)，以攻克大口徑輕量化反射鏡鏡坯的制造技術(shù)、加工技術(shù)、高精度檢測技術(shù)和反射鏡裝調(diào)技術(shù)，為中國高分辨率對地觀測衛(wèi)星的發(fā)展奠定堅實的技術(shù)和工業(yè)基礎(chǔ)。

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