光電系統(tǒng)中鈹反射鏡的發(fā)展與應(yīng)用

石 磊，許永森，劉福賀

（1.中國(guó)科學(xué)院航空光學(xué)成像與測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吉林長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

光電系統(tǒng)中鈹反射鏡的發(fā)展與應(yīng)用

石 磊1，2*，許永森1，2，劉福賀1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院航空光學(xué)成像與測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吉林長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

綜述了光電系統(tǒng)中鈹反射鏡常用材料的特性、加工方法、發(fā)展現(xiàn)狀及最新應(yīng)用。首先,介紹了目前國(guó)外鈹反射鏡常用材料的性能,鈹反射鏡基底制備、機(jī)械加工和光學(xué)加工等方面的發(fā)展現(xiàn)狀。然后,以詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡和F-9120航空遠(yuǎn)距離可見(jiàn)/紅外雙波段偵察相機(jī)為例,重點(diǎn)介紹了鈹以及鈹鋁合金在空間和航空光電系統(tǒng)的反射鏡及光機(jī)支撐結(jié)構(gòu)上的最新應(yīng)用。最后,對(duì)鈹和鈹鋁合金在光電系統(tǒng)中的未來(lái)發(fā)展和應(yīng)用前景提出了展望。

反射鏡；鈹；鈹鋁合金；空間望遠(yuǎn)鏡；航空偵察相機(jī)

1 引言

大口徑、長(zhǎng)焦距是空間、地基和航空光電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),光電系統(tǒng)的分辨率不斷提高,同時(shí)也導(dǎo)致了反射鏡口徑越來(lái)越大［1］。為了減小質(zhì)量,提高光電系統(tǒng)的性能,大尺寸反射鏡的制作要求所用材料必須質(zhì)量輕、比剛度和尺寸穩(wěn)定性高、熱性能好。目前,反射鏡常用的材料有鈹、鋁、RBSiC、ULE和Zerodur等,這些材料均滿足質(zhì)量輕的要求［2］。其中,鈹?shù)拿芏茸畹?它的彈性模量為287 GPa,僅次于RB-SiC,但其比剛度（E/ρ）最大,因而在負(fù)載下具有最高的抗變形能力,這有利于減輕反射鏡的質(zhì)量。而鈹?shù)母弑葻岷蜔釋?dǎo)率有利于消除反射鏡鏡體中的溫度梯度,使反射鏡能較快地實(shí)現(xiàn)熱平衡,有利于保證反射鏡良好的尺寸穩(wěn)定性。但鈹?shù)亩拘?、脆性、價(jià)格昂貴等因素限制了鈹材的應(yīng)用開(kāi)發(fā),盡管如此,由于鈹具有一系列優(yōu)異的力學(xué)和物理性能,在無(wú)其它材料替代的情況下,鈹材仍然是空間和地面光學(xué)系統(tǒng)中反射鏡的首選材料［3-4］,且已被國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家成功應(yīng)用于大口徑反射鏡制造,如低溫空間望遠(yuǎn)鏡JWST（the JamesWebb Space Telescope［5］、ITTT（Infrared Telescope Technology Testbed）［6］、IRAS（Infrared Space Astronomical Telescope）［7］、SIRTF（Space Infrared Telescope Facility）［8］和JAMI（Japanese Advanced Meteorological Imager）［9］,地基天文望遠(yuǎn)鏡VLT（Very Large Telescope）［10,11］、KECK［12］和GTC（the 10 m Gran Telescopio Canarias）［13］以及F-9120航空遠(yuǎn)距離可見(jiàn)/紅外雙波段偵察相機(jī)［14］等項(xiàng)目。我國(guó)對(duì)鈹反射鏡的研究應(yīng)用起步較晚,始于20世紀(jì)末期,在資源、風(fēng)云系列衛(wèi)星上應(yīng)用了工作在紅外波段且面形精度較低的鈹掃描鏡［15-17］。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的宋立強(qiáng)等人設(shè)計(jì)研制了工作在可見(jiàn)光波段直徑為84 mm的鈹平面反射鏡［18］,并應(yīng)用于空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡。

本文介紹了國(guó)外光電系統(tǒng)中鈹反射鏡常用材料的特性,鈹反射鏡基底制備、機(jī)械加工和光學(xué)加工現(xiàn)狀,并重點(diǎn)介紹了鈹和鈹鋁合金在JWST和F-9120航空遠(yuǎn)距離可見(jiàn)/紅外雙波段偵察相機(jī)的反射鏡和支撐結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

2 鈹反射鏡用材料與加工

2.1 鈹反射鏡用材料

單晶態(tài)鈹是一種高活性的密排六方（HCP）結(jié)構(gòu)金屬,其c/a=1.568,熱膨脹系數(shù)（CTE）基面比垂直于該面的軸向高出37％。由于熱膨脹系數(shù)各向異性過(guò)高會(huì)導(dǎo)致反射鏡在小的溫度變化下尺寸穩(wěn)定性下降,使得光電系統(tǒng)成像質(zhì)量下降。因此,鈹反射鏡和大多數(shù)鈹材料部件必須通過(guò)粉末冶金技術(shù)進(jìn)行制造,以使得顆粒方向盡可能的隨機(jī)化,達(dá)到宏觀特性的各向同性［19-20］。因此,要獲得高性能的鈹反射鏡基底,必須從兩個(gè)方面著手：一是制備出高質(zhì)量的鈹粉末,二是采用先進(jìn)的成形與固結(jié)工藝。鈹粉末的化學(xué)成分、物理性能和工藝性能對(duì)其固結(jié)過(guò)程及最終產(chǎn)品的性能將產(chǎn)生重大影響［21］。

20世紀(jì)70年代以前,鈹粉制取主要依靠機(jī)械研磨和球磨法。這兩種工藝制得的鈹粉呈片狀,缺乏真正的無(wú)序結(jié)晶結(jié)構(gòu),固結(jié)鈹錠的物理性能和力學(xué)性能都呈現(xiàn)各向異性,且無(wú)法滿足粉末的純度、粒度分布的要求。20世紀(jì)70年代,美國(guó)研制出沖擊研磨法制取鈹粉,即利用高速氣流裹挾原料鈹粉在沖擊鈀上將其擊碎而得到滿足要求的鈹粉產(chǎn)品。這種方法可將鈹粉末中的超細(xì)污染物分離出去,制得的粉末純度高,粒形均勻且細(xì)?。?μm以?xún)?nèi)）,粉末內(nèi)應(yīng)力大,生產(chǎn)效率高,氧化物含量低,成本低且有利于防護(hù)。沖擊研磨鈹粉顆粒呈塊狀,各向同性?xún)H次于霧化粉。進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期,布拉什-韋爾曼公司（Brush Wellman）采用沖擊研磨法［22］制備了80％的鈹粉末。20世紀(jì)90年代,Brush Wellman公司研制出了氣體霧化法制取鈹粉。這種方法可以制取規(guī)則的球形顆粒粉末,能夠顯著地減少或消除坯塊的各向異性,同時(shí)球形粉末具有很好的流動(dòng)性和較高的充填能力,有利于生產(chǎn)近凈成形鈹件,顯微結(jié)構(gòu)普遍呈多晶態(tài),特別適宜于熱等靜壓（HIP）用粉末。

鈹反射鏡用鈹粉分類(lèi)的主要依據(jù)是：（1）BeO含量；（2）鏡坯制造是采用真空熱壓法還是熱等靜壓法；（3）粉末顆粒尺寸大小；（4）粉末顆粒為球形還是其他磨粒形。這些因素決定了鈹反射鏡隨時(shí)間和溫度變化的尺寸穩(wěn)定性及可拋光性。

表1為目前國(guó)外在光學(xué)系統(tǒng)中鈹反射鏡最常用的5種鈹材的性能［3］。這5種材料均由美國(guó)Brush Wellman公司生產(chǎn),該公司被認(rèn)為是美國(guó)唯一可靠的反射鏡用鈹材生產(chǎn)企業(yè)［23］。

I-70H和O-30L的BeO含量低,分別為0.7％和0.3％,使用這兩種鈹粉生產(chǎn)的反射鏡基底強(qiáng)度較低,能夠直接進(jìn)行拋光,但加工時(shí)間較長(zhǎng)。它們的微屈服強(qiáng)度和微蠕變非常低,一般不適合于化學(xué)鍍鎳磷合金（Electroless Nickel,EN）,因?yàn)殄儗优c基底材料特性有較大的差別。

I-220H為沖擊研磨鈹粉,其BeO含量最高,為2.2％,使用I-220H生產(chǎn)的反射鏡基底強(qiáng)度最高。這種材料能通過(guò)真空熱壓或熱等靜壓法從粉末固結(jié)成全密度的反射鏡基底。I-220H粉末也可以通過(guò)冷等靜壓法制成密度為70％,然后通過(guò)真空熱壓或熱等靜壓制成全密度的基底。由于具有高的微屈服強(qiáng)度,該材料不適合直接在基底上進(jìn)行拋光,需進(jìn)行化學(xué)鍍鎳磷合金層再進(jìn)行拋光。在5種材料中S-200-FH價(jià)格最低,該材料多在極限應(yīng)力不高的情況下應(yīng)用,與I-220H一樣,適合進(jìn)行化學(xué)鍍鎳磷合金層。

AlBeMet?162最初開(kāi)發(fā)用于工作溫度范圍在-55～85℃的戰(zhàn)術(shù)光電系統(tǒng),是目前光學(xué)系統(tǒng)中最常用的鈹鋁合金。該鈹鋁合金由體積比為62％的純鈹和38％的純鋁組成,具有鈹?shù)母吣Ａ?、低密度特性和鋁的可加工性和機(jī)械性能。與鈹相比價(jià)格更低,與鋁相比,具有低得多的CTE,同時(shí)具有更高的熱導(dǎo)率。除了具有高的比剛度之外,HIP固結(jié)過(guò)程能增加鈹鋁合金的各項(xiàng)同性。AlBeMet?162對(duì)機(jī)械損傷不敏感,可以進(jìn)行機(jī)械加工和焊接,能使用鋁加工技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行鍍層。AlBeMet?162通過(guò)氣體霧化法進(jìn)行生產(chǎn),由于粉末是球形的,在往包套中裝填時(shí),具有更高的裝填密度,比沖擊研磨粉具有更好的流動(dòng)性,使得裝填效果更好。

2.2 鈹反射鏡基底制造

美國(guó)在20世紀(jì)60～70年代,鈹粉末冶金固結(jié)工藝一般采用真空熱壓法。20世紀(jì)70年代以后,熱等靜壓技術(shù)開(kāi)始用于鈹反射鏡的生產(chǎn)與研究,并成為之后鈹反射鏡最常用的加工方法。

熱等靜壓是在高溫下利用各向均等的靜壓力進(jìn)行壓制成型的工藝方法,其關(guān)鍵是溫度和壓力的確定,壓力一般為105 MPa,溫度范圍為1 083～1 152 K,在熱壓容器內(nèi)進(jìn)行。與真空熱壓工藝相比其優(yōu)點(diǎn)是：產(chǎn)品具有良好的力學(xué)性能,可生產(chǎn)全致密材料,獲得無(wú)序的晶體結(jié)構(gòu),各向同性?xún)?yōu)于真空熱壓法,可生產(chǎn)復(fù)雜形狀的近凈形部件,設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率更高［24］。

反射鏡基底制造是采用熱等靜壓法將鈹粉固結(jié)出鏡坯,然后在鏡坯上進(jìn)行機(jī)械加工和研磨成所需的形狀。這種直接的加工方法不僅耗時(shí),且會(huì)造成相當(dāng)大部分的坯料被浪費(fèi),由于鈹?shù)膬r(jià)格昂貴,從而大大增加了鏡體的成本。對(duì)于一些簡(jiǎn)單形狀的基片,這種方法可能會(huì)更經(jīng)濟(jì),但對(duì)于大多數(shù)部件尤其是復(fù)雜形狀的部件,效率相對(duì)較低。這種加工方法適用于背部開(kāi)口輕量化結(jié)構(gòu)反射鏡加工,不適用于蜂窩夾心結(jié)構(gòu)反射鏡加工。

20世紀(jì)80年代后期,大而復(fù)雜的輕量化鏡坯能直接通過(guò)熱等靜壓至近凈形（HIP-NNS）。HIP-NNS工藝具有快速一步成形、機(jī)加工量小、成本低等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于昂貴、質(zhì)脆、劇毒鈹這一特殊材料的固結(jié),能夠進(jìn)行蜂窩夾心結(jié)構(gòu)反射鏡的加工。HIP-NNS工藝需要配有加工精密的模具,單個(gè)鈹反射鏡生產(chǎn)成本會(huì)有所增加,因此,反射鏡加工方法需要根據(jù)加工數(shù)量、反射鏡結(jié)構(gòu)和加工精度等具體情況綜合考慮進(jìn)行選擇［25］。

2.3 鈹反射鏡機(jī)械加工和研磨

鈹?shù)姆勰┖退樾紝?duì)人體有害,鈹材料的加工過(guò)程應(yīng)在有良好的通風(fēng)控制系統(tǒng)中進(jìn)行。鈹較脆,其加工性能類(lèi)似于鑄鐵,鈹材對(duì)機(jī)械加工損傷較敏感,易發(fā)生裂、碎、掉渣等問(wèn)題,所以機(jī)械加工時(shí)盡量減小或控制切削進(jìn)給量,以避免輕量化薄壁出現(xiàn)裂痕、棱邊掉渣現(xiàn)象［18］。

此外,加工時(shí)要嚴(yán)格控制切削參數(shù),采用漸進(jìn)式加工方法,依次使用更小的切削量進(jìn)行加工,以盡量減小機(jī)加工表面損傷層,并在后續(xù)處理中采用化學(xué)銑切和冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理去除表面損傷層,以保持鏡鈹尺寸穩(wěn)定、恢復(fù)材料原有的力學(xué)和加工性能［26］。

鈹粉固結(jié)后的反射鏡為多晶體材料,研磨在材料被移除的同時(shí)會(huì)造成亞表面損傷,亞表面損傷的深度大約等于材料被去除的深度。光學(xué)表面加工的拋光力在材料上施加了極大的應(yīng)力,導(dǎo)致多晶體材料在深度約200 nm內(nèi)重新排列,這一重新排列層被稱(chēng)為貝氏層。在拋光之前這些微粒的沉積或者生長(zhǎng)過(guò)程是以非常隨機(jī)的方式排布,使得材料層具有各向同性特性。當(dāng)拋光應(yīng)力重新排列多晶體,會(huì)產(chǎn)生各向異性（定向的）表面層,可能會(huì)影響鏡子的光學(xué)性能。為了使反射鏡基底損壞層的影響最小化,美國(guó)HDOS（Hughes Danbury Optical Systems）和RI（Rockwell International）公司開(kāi)發(fā)了特殊的鈹拋光工藝,使損壞層的厚度最小化。該工藝能夠通過(guò)依次使用更小的拋光磨粒尺寸,去除略微多于上一步拋光所造成損傷層的一半厚度,直到最小厚度的損傷層被留在反射鏡基底上［27］。

2.4 鈹反射鏡光學(xué)加工

表2為目前國(guó)外鈹、碳化硅和鋁反射鏡的加工現(xiàn)狀對(duì)比［3］。鈹對(duì)可見(jiàn)光的反射率為50％,對(duì)紅外線（10.6μm）的反射率為98％。尺寸較小的鈹樣件可以直接拋光至1～1.5 nm RMS,但對(duì)于非球面和大尺寸反射鏡,目前只能達(dá)到3～4 nm RMS,很少能優(yōu)于2.5 nm RMS,因此,不鍍層的鈹反射鏡只適合于紅外波段應(yīng)用。通過(guò)化學(xué)鍍鎳磷合金層再進(jìn)行拋光,可以與SiC和鋁一樣,能夠被拋光成＜0.5 nm RMS低散射的表面,能同時(shí)適用于可見(jiàn)和紅外波段。從加工成本上看,與直接在鈹反射鏡上進(jìn)行光學(xué)加工相比,鍍鎳磷合金層后再進(jìn)行拋光的加工成本能減少一半。

化學(xué)鍍鎳磷合金（磷含量為10％～13％）的熱脹系數(shù)與鈹接近,二者相對(duì)應(yīng)力低。與用于鋁的化學(xué)鍍鎳磷合金（磷含量為8％～10％）相比,較高的磷含量使得鎳磷合金鍍層相對(duì)更軟,從而具有優(yōu)異的金剛石車(chē)削加工性能?；瘜W(xué)鍍鎳磷合金層能提供一個(gè)更堅(jiān)硬的保護(hù)層,厚度一般為24～150μm。與鋁不同,鈹?shù)母邉偠仍试S可以只在反射鏡的鏡面進(jìn)行鍍層,能最大限度減小由鍍鎳引起的質(zhì)量和慣量的增加。

鎳磷合金有很好的可拋光性,但是在紅外波段,其反射率不如鈹。直接拋光或鍍鎳磷合金后的鈹反射鏡需要在鏡面鍍高反射率的金屬材料（如金、銀或鋁）作為保護(hù)層,選擇金屬材料的依據(jù)是所需要反射的波長(zhǎng)和反射率。

3 鈹在光電系統(tǒng)中的最新應(yīng)用

3.1 鈹在詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡上的應(yīng)用

鈹在室溫下的熱膨脹系數(shù)很高,但在低溫下具有很好的穩(wěn)定性,同時(shí)鈹具有質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),這使得它多被用于低溫空間望遠(yuǎn)鏡的反射鏡制造。

低溫空間望遠(yuǎn)鏡IRAS和SIRTF,以及地基天文望遠(yuǎn)鏡VLT、KECK和GTC使用的鈹粉為沖擊研磨法制取的I-70H和I-220L。當(dāng)反射鏡直徑大于1 m時(shí),這類(lèi)鈹粉制成的反射鏡在機(jī)械性能和熱性能上會(huì)存在一定的各向異性。理想的鈹材料,尤其是對(duì)于低溫下應(yīng)用的天文儀器,希望反射鏡具有優(yōu)異的各向同性。為了滿足這一要求, Brush Wellman開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)了O-30L鈹粉,該鈹粉由氣體霧化法制取,鈹粉顆粒為球形。該鈹粉的氧化物含量為0.3％,使用該鈹粉生產(chǎn)的反射鏡基底能夠較容易地進(jìn)行直接拋光成低散射的光學(xué)表面。O-30L鈹粉相比于I-70H,具有更好的各向同性,通過(guò)SBMD（sub-scale beryllium mirror demonstrator）和AMSD（Advanced Mirror Systems Demonstrator）項(xiàng)目試驗(yàn)證明了低溫下O-30L鈹粉的穩(wěn)定性要優(yōu)于SIRTF望遠(yuǎn)鏡使用的I-70H。因此, O-30L鈹粉被用來(lái)制造JWST的主鏡、次鏡和三鏡［28］。圖1為韋伯太空望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡工作在紅外波段。口徑為6.5 m的主鏡由18塊約1.5 m正六邊形反射鏡拼接組成［28］,1.5 m六邊形鈹反射鏡為目前口徑最大的單塊鈹反射鏡。Brush Wellman公司使用O-30鈹粉通過(guò)熱等靜壓技術(shù),制出各向同性和均勻性?xún)?yōu)異的鏡坯（如圖2所示）。之后AXSYS公司對(duì)其進(jìn)行輕量化加工,輕量化率約為95％,加工后的單個(gè)六邊形反射鏡質(zhì)量約為20 kg（如圖3所示）。由于其BeO含量低,為0.3％,使用該鈹粉生產(chǎn)的反射鏡基底能夠較容易地進(jìn)行直接拋光。L-3 Communications-Tinsley公司對(duì)反射鏡進(jìn)行拋光,拋光后主鏡鏡面的平均加工精度為13.5 nm,優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)21.2 nm；次鏡鏡面平均加工精度為5.9 nm；三鏡鏡面的平均加工精度為4.3 nm。因鈹不能很好地反射近紅外光,所以每個(gè)鏡面都鍍上了金作為高反射膜［29-31］。

由于鈹在低溫下具有很好的穩(wěn)定性,JWST的近紅外相機(jī)（NIRCam）的光學(xué)支撐結(jié)構(gòu)也選擇使用鈹材。光學(xué)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初候選材料只考慮了熱等靜壓（HIP）等級(jí)的鈹粉：I-220H、S-200FH、O-30H和I-70H的各向同性更好,其中S-200FH具有相對(duì)較低的強(qiáng)度和較高的各向異性；O-30H各項(xiàng)同性最好,但成本高,強(qiáng)度低,同時(shí)光學(xué)支撐結(jié)構(gòu)不需要這么高的各向同性；I-70H強(qiáng)度也相對(duì)較低；由于具有較高的屈服強(qiáng)度和較好的各向同性,通過(guò)比較,最終選I-220H為NIRCam的光學(xué)支撐結(jié)構(gòu)材料［32］。

3.2 鈹和鈹鋁合金在F-9120航空偵察相機(jī)上的應(yīng)用

F-9120高空可見(jiàn)/紅外雙波段航空偵察相機(jī)（圖4）采用雙波段共口徑光路設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)高空遠(yuǎn)距離,可見(jiàn)/紅外同時(shí)成像,可以在多種戰(zhàn)術(shù)平臺(tái)上使用。

表3為F-9120航空偵察相機(jī)的主要成像性能指標(biāo),其中,高空工作時(shí),可見(jiàn)光相機(jī)的焦距為3 m,紅外相機(jī)的焦距為1.5 m,視軸穩(wěn)定精度小于0.5μrad。為了滿足這一高性能的成像指標(biāo)要求,BAE Systems公司對(duì)航空上用于光學(xué)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證的材料進(jìn)行嚴(yán)格和詳細(xì)的對(duì)比［33］。表4為F-9120航空偵察相機(jī)設(shè)計(jì)之初候選材料的典型性能對(duì)比［34］。

最初考慮相機(jī)主反射鏡和支撐結(jié)構(gòu)材料都使用鋁,其風(fēng)險(xiǎn)低、成本低并且生產(chǎn)周期短。但鋁的比剛度相對(duì)較低,不足鈹?shù)?/6,會(huì)導(dǎo)致反射鏡質(zhì)量和體積增加,難以滿足苛刻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求。ULE也是如此。

碳化硅具有最高的模量和相對(duì)較低的熱膨脹系數(shù),也被考慮用來(lái)進(jìn)行反射鏡和支撐結(jié)構(gòu)制造。但由于受相機(jī)質(zhì)量限制,具有最高比剛度的鈹優(yōu)于碳化硅。同時(shí)相機(jī)掃描軸性能和結(jié)構(gòu)剛度決定了圖像的抖動(dòng),鈹在單位載荷下具有最高的抗變形能力,這對(duì)于F-9120全景掃描相機(jī)來(lái)說(shuō)不僅能提高圖像質(zhì)量并且有利于視軸穩(wěn)定。BAE Systems的光電吊艙熱管理系統(tǒng)能使得F-9120傳感器工作溫度保持在±2℃以?xún)?nèi),從而能有效減小反射鏡的熱梯度,允許使用常溫下具有較高熱膨脹系數(shù)的鈹。另外,如表4所示,在備選的材料中鈹具有最高的比熱和熱導(dǎo)率。高比熱使得鈹反射鏡能夠在熱變形之前吸收更多的熱量,高的熱導(dǎo)率有利于實(shí)現(xiàn)快速的熱平衡,降低由熱梯度產(chǎn)生的變形。

對(duì)于高空遠(yuǎn)距離戰(zhàn)術(shù)偵察系統(tǒng),碳化硅和鈹反射鏡制造和裝調(diào)總成本差別不大。盡管鈹?shù)膬r(jià)格和加工成本高于碳化硅。鈹反射鏡可以直接在鏡體上加工安裝面,有助于降低裝調(diào)成本,而碳化硅反射鏡一般需要嵌入式支撐組件,需要單獨(dú)精密加工和研磨,從而增加裝調(diào)時(shí)間和成本。

綜上,考慮到設(shè)計(jì)指標(biāo)和苛刻的使用環(huán)境,最終選擇了鈹作為反射鏡的材料。鈹?shù)母弑葎偠群涂焖贌崞胶饽芰τ欣谔岣吖怆娤到y(tǒng)的成像質(zhì)量。

對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)材料,BAE Systems公司之前在高性能光電系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)中使用鑄鋁和鈦。鋁能夠被鑄造成各種所需的形狀,成本低,但是其比剛度低。在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中光學(xué)支撐結(jié)構(gòu)的剛度要滿足結(jié)構(gòu)一階模態(tài)頻率高出掃伺服系統(tǒng)帶寬的5倍以上,才能保證支撐結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)影響光學(xué)成像質(zhì)量。鈦的比剛度也不高并且價(jià)格昂貴［34］。由于鈹?shù)膬r(jià)格昂貴,相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)使用鈹會(huì)導(dǎo)致成本過(guò)高,所以選擇鈹鋁合金AlBeMet?162作為光學(xué)支撐結(jié)構(gòu)材料,其比剛度接近碳化硅和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料,是鋁或鈦的近4倍；在室溫下的熱膨脹系數(shù)比6061T6鋁低45％,與戰(zhàn)術(shù)光電系統(tǒng)中的軸承材料非常匹配；室溫下AlBeMet?162導(dǎo)熱率比鋁高,是鈦的3倍；比熱容量比6061T6鋁高50％,這就允許光學(xué)支撐結(jié)構(gòu)能夠在熱膨脹之前吸收更多的熱量。AlBeMet?162高比熱容量,低熱膨脹系數(shù)（CTE）和高導(dǎo)熱率的絕佳組合使得它成為光學(xué)系統(tǒng)消熱差的理想材料,可以使得整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的熱消散更加均勻。鈹鋁合金的阻尼約是鋁、不銹鋼和鈦的3倍,有利于降低視軸抖動(dòng)［35］。鈹鋁合金支撐結(jié)構(gòu)能滿足質(zhì)量輕和高剛度的要求,使尺寸和質(zhì)量最小化,有利于視軸穩(wěn)定、熱穩(wěn)定并能和鈹反射鏡進(jìn)行很好的配合。

BAE Systems綜合分析得出只有使用鈹反射鏡和鈹鋁合金支撐結(jié)構(gòu)能使得結(jié)構(gòu)最輕,剛度最高,才能滿足F-9120所有關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。BAE Systems通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和在F-16上成功的飛行試驗(yàn)證實(shí)了使用鈹反射鏡和鈹鋁合金支撐結(jié)構(gòu)的F-9120航空偵察相機(jī)在復(fù)雜熱和振動(dòng)環(huán)境下具有優(yōu)異的成像性能。

隨著鈹鋁合金在目標(biāo)捕獲和火控系統(tǒng)上的成功應(yīng)用［36-37］,以及對(duì)EO/IR系統(tǒng)性能的更高要求,同時(shí)為進(jìn)一步降低成本,2006年開(kāi)始BAE Systems對(duì)F-9120航空偵察相機(jī)改進(jìn)版采用了鈹鋁合金反射鏡［34］。鋁鈹合金加工和制造技術(shù)與鋁類(lèi)似,可以像加工鋁一樣進(jìn)行加工,可以使用標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工。鋁鈹合金反射鏡可以直接在鏡體上進(jìn)行固定,從而避免了碳化硅和ULE需使用鑲嵌件的要求,這允許設(shè)計(jì)者能靈活性設(shè)計(jì)支撐點(diǎn)位置。鈹鋁合金的熱膨脹系數(shù)能很好的與化學(xué)鍍鎳磷合金層（磷含量為11％～12％）相匹配,可以在反射鏡表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳磷合金,并加工出適合可見(jiàn)/紅外雙波段的低散射的光學(xué)表面。

由于鈹鋁合金的高熱導(dǎo)率和比熱容量,使得相機(jī)能夠在更寬的溫度范圍內(nèi)能保持焦距穩(wěn)定,光電吊艙的熱管理系統(tǒng)可以更加簡(jiǎn)化,并能減少起飛之前預(yù)處理時(shí)間。F-9120航空偵察相機(jī)的鈹反射鏡基底機(jī)械精加工需要5次漸進(jìn)式切削,機(jī)械加工之后需要進(jìn)行化學(xué)銑切去除表面損傷和表面應(yīng)力；而鈹鋁合金反射鏡基底精加工只需要一次切削即可完成,機(jī)械加工之后不需要進(jìn)行化學(xué)銑切處理。使用鈹鋁合金能明顯降低成本和生產(chǎn)周期,與鈹鏡/鈹鋁合金結(jié)構(gòu)相比,全鈹鋁合金的F-9120航空偵察相機(jī)能節(jié)約25％的成本,同時(shí)生產(chǎn)周期縮短了6周［34］。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)外尤其是美國(guó)在鈹材制造和鈹反射鏡加工方面進(jìn)行了大量的研究,積累了大量的經(jīng)驗(yàn),并取得了很好的成果。詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡使用環(huán)境和要求促使了新的鈹材料的開(kāi)發(fā),航空偵察相機(jī)更遠(yuǎn)的工作距離和更高的分辨率對(duì)光電系統(tǒng)的性能提出了更高的要求,使得鈹鋁合金在航空遠(yuǎn)距離偵察相機(jī)的反射鏡和支撐結(jié)構(gòu)上得到了應(yīng)用。針對(duì)特定的應(yīng)用環(huán)境,選擇適合的鈹材和加工方法,能夠保證鈹反射鏡滿足先進(jìn)光電系統(tǒng)的使用要求,同時(shí)光機(jī)支撐結(jié)構(gòu)也可考慮使用鈹或鈹鋁合金,光機(jī)支撐一體化技術(shù)有利提高光學(xué)系統(tǒng)的性能,也是未來(lái)光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的方向。

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作者簡(jiǎn)介：

石 磊（1984-）,男,河南新鄉(xiāng)人,博士,助理研究員,2013年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事航空成像與測(cè)量方面的研究。E-mail：leishi2013@foxmail.com

劉福賀（1989-）,男,黑龍江齊齊哈爾人,碩士,研究實(shí)習(xí)員,2013年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)得碩士學(xué)位,主要從事航空成像與測(cè)量方面的研究。E-mail：liujin0711@126.com

許永森（1981-）,男,河南信陽(yáng)人,博士,副研究員,2009年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位,主要從事航空成像與測(cè)量方面的研究。E-mail：pm131@sina.com.cn

Development and application of beryllium m irrors in optical systems

SHILei1,2*,XUN Yong-sen1,2,LIU Fu-he1,2
（Key Laboratory of Airborne Optical Imaging and Measurement, Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China）
*Corresponding author,E-mail：leishi2013@foxmail.com

Thematerial properties and processingmethod of beryllium mirrors are reviewed and their applications and development are also proposed.Firstly,thematerial properties of beryllium mirrors widely used in present and the current state-of-the-art ofmirror substrate production,machining,grinding,nickel plating, polishing are introduced.Then,the latest application of the beryllium and beryllium-aluminum in the JWST（the JamesWebb Space Telescope）and the F-9120 high altitude dual band（EO/IR）tactical reconnaissance sensor are given.Finally,the future developments and application of beryllium and beryllium-aluminum for optical systems are discussed.

mirror；beryllium；beryllium-aluminum alloy；space astronomical instruments；airborne reconnaissance camera

V447.6

A

10.3788/CO.20140705.0749

2095-1531（2014）05-0749-10

2014-05-15；

2014-07-15

武器裝備預(yù)研基金資助項(xiàng)目（No.51460040104ZK1001）；國(guó)家林業(yè)公益性資助項(xiàng)目（No.201204515）