大口径可见光波段铝合金空间反射镜组件及其制备方法

本发明属于空间光学遥感，尤其涉及大口径可见光波段铝合金空间反射镜组件及其制备方法。

背景技术：

1、随着空间对地观测、天文探测任务的不断发展，空间相机向着大口径、长焦距、高分辨率方向发展，对反射镜组件的面形精度、结构刚度、热尺寸稳定性、轻量化水平提出了严苛要求，反射镜作为反射式光学系统中最重要的部件之一，其面形精度与稳定性直接关系到光学系统的成像质量，为了降低反射镜支撑、加工、装调、检测难度，保证面形精度，需对其进行轻量化设计以减轻结构重量。目前，碳化硅、微晶玻璃是空间大口径反射镜的主流材料，碳化硅比刚度高、热变形小，但加工周期长、制造成本高昂；微晶玻璃热膨胀系数极低，但材料脆性大，无法直接螺钉连接，必须镶嵌金属衬套实现机械接口，装配工序复杂。

2、相较于碳化硅、熔石英、光学玻璃、单晶硅等传统光学材料，铝及其合金用作光学元件具有许多优点：铝合金反射镜具备比刚度适中、超精密可加工、易于轻量化、成本可控、同材料热匹配性好等突出优势，在中小口径空间光学载荷中已经得到较多工程应用，铝合金可通过单点金刚石车削实现光学面成型，并且支持组件装配完成后再开展光学面二次精加工，能够有效释放装配引入的应力变形，在可见光-红外多谱段空间载荷具备良好应用前景。

3、目前国内空间铝合金反射镜的设计与制造技术主要沿两条技术路线展开：

4、第一，结构设计与光机集成技术路线。该技术路线在铝合金反射镜结构设计、轻量化构型、光机集成、空间环境适应性设计方面形成了较深厚的技术积累，已在大口径铝反射镜外部支撑结构结构设计与在轨工程应用中得到验证，其技术优势主要体现在背部轻量化拓扑结构、多点卸载支撑、全铝光机无热化一体化设计上，相关方案的力学稳定性与结构可靠性高。但该技术路线存在以下不足：其一，结构方案大多适配红外波段应用，针对600mm以上大口径、高分辨率可见光成像工况的成套结构方案较少，对纳米级面形精度、极低装配应力的设计控制不足；其二，大口径反射镜装配结构均采用预埋/粘接金属镶嵌衬套实现支撑连接，异质材料界面易在空间宽温交变环境下产生热失配应力、界面滑移及装配残余应力累积，长期在轨稳定性受限；其三，设计制造流程普遍采用“先精修镜面、后装配支撑”的工艺顺序，未从结构层面适配组件集成后二次精加工工艺，装配应力无法根除，难以满足可见光大口径反射镜高精度面形稳定性需求。

5、第二，超精密制造与工艺调控技术路线。该技术路线在铝合金反射镜超精密制造、超光滑表面加工、抛光改性、残余应力调控等工艺方法方面具有显著优势，已形成金刚石车削、磁流变抛光、离子束修形、复合化学抛光等成套可见光级超精密加工体系，相关技术可有效解决铝合金镜面粗糙度高、加工晶界缺陷多的行业难题。但该技术路线仍存在如下不足：其一，技术积累以工艺方法为主，大口径空间反射镜本体结构、轻量化构型、无应力装配接口、整体支撑布局的产品结构类方案严重缺失，缺少可直接工程化应用的大口径空间反射镜成套结构方案；其二，现有结构方案仍沿用传统镶嵌衬套连接方式，未突破异质界面应力难题；其三，相关高精度加工工艺多为独立制造手段，未与反射镜整体装配结构、支撑布局形成结构-工艺一体化协同设计，无法从源头抑制装配应力与热致变形，大口径可见光空间反射镜工程适配性不足。

6、现有两条技术路线相关的公开文献与工程方案中，均未涉及无镶嵌件直连结构、适配组件整体二次精加工、大口径可见光专用的全铝高稳定反射镜组件方案，导致目前大口径可见光铝合金空间反射镜普遍存在装配应力大、热稳定性差、面形精度保持能力弱、结构工艺不匹配等技术瓶颈，制约了大口径、长焦距、高分辨率空间可见光相机的轻量化、低成本、高稳定化发展。

7、具体而言，现有公开文献与工程方案中，大口径铝合金反射镜组件普遍存在如下技术局限：其一，普遍采用镶嵌衬套过渡连接结构，镶嵌件与铝合金镜体属于异质界面，在轨温度交变条件下易产生热失配应力与装配残余应力，长期在轨稳定性受限；其二，装配-加工顺序不够合理，现有结构大多先精修镜面、后装配支撑，装配应力直接作用于已加工光学镜面，缺少“组件装配后再对光学面做二次加工”的完整构型设计；其三，柔性支撑构型不够合理，现有薄片式、耳片式柔性结构在大口径工况下支撑刚度与应力卸载难以兼顾，易产生镜面刚体倾斜与面形畸变；其四，支撑-镜体热匹配设计不足，异种材料柔性支撑在宽温域环境下产生附加热应力，全铝同材质支撑方案缺少圆柱形柔性支撑与背部三点支撑相耦合的具体构型设计；其五，大口径可见光波段工程实现难度较高，现有专利多针对中小口径铝反射镜，缺少无镶嵌件、螺钉直连、组件集成后再加工相配套的完整结构方案。

8、综上所述，为避免铝合金反射镜在大口径高分辨率空间相机上的进一步工程应用受到制约，亟需设计一种面向大口径可见光应用、能够从结构与工艺两方面协同解决装配应力与热致变形问题的铝合金反射镜组件方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明创造旨在提供大口径可见光波段铝合金空间反射镜组件及其制备方法，以解决现有大口径可见光铝合金反射镜组件因镶嵌衬套连接和“先精修镜面、后装配支撑”工艺导致的装配应力大、热稳定性不佳、面形精度保持能力弱的问题。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、大口径可见光波段铝合金空间反射镜组件，包括反射镜单元和柔性支撑单元；

4、反射镜单元包括铝合金镜体、设置于铝合金镜体正面的光学反射镜面、设置于铝合金镜体背部的轻量化结构；铝合金镜体为整体机加工铣削一体成型结构，铝合金镜体与柔性支撑单元采用相同的铝合金材料；

5、轻量化结构在铝合金镜体背部形成沿周向均匀布置的三个支撑区，每个支撑区内设有一个支撑腔，柔性支撑单元置于支撑腔内并整体形成三点式支撑结构；

6、支撑腔内设有与铝合金镜体一体成型的安装台，柔性支撑单元通过锁紧件连接于安装台上；

7、光学反射镜面在反射镜单元与柔性支撑单元完成装配后，以装配后的反射镜组件整体为基准进行二次精密修形加工。

8、进一步地，柔性支撑单元包括整体呈圆柱形的支撑本体，支撑本体的轴向两端分别与安装台、外部支撑结构连接；支撑本体为中空结构且包括筒壁，筒壁上开设有柔性切槽。

9、进一步地，柔性切槽包括周向环形切槽和/或轴向直型切槽；支撑本体的筒壁为薄壁结构，通过筒壁的弹性变形及柔性切槽释放温度循环应力与装配微应力。

10、进一步地，支撑本体的轴向两端分别设置有顶部连接法兰、底部连接法兰，顶部连接法兰与安装台连接，底部连接法兰与外部支撑结构连接；顶部连接法兰和安装台上分别开设有相互配合的锁紧孔，顶部连接法兰通过锁紧件和锁紧孔配合与安装台锁紧。

11、进一步地，轻量化结构由铝合金镜体背部铣削成型的筋槽组构成；筋槽组包括多个相互平行的主筋一、多个相互平行的主筋二，主筋一与主筋二交叉布置；相邻主筋一之间的间距相等，相邻主筋二之间的间距相等；主筋一与主筋二之间的锐角夹角为60°；筋槽组还包括设置于各支撑腔周侧的辅筋；每个支撑腔周围的辅筋均匀分布，辅筋自所在支撑腔的边缘向远离该支撑腔的方向延伸。

12、进一步地，光学反射镜面的有效通光口径为ф650mm，光学反射镜面的反射口径为ф660mm；铝合金镜体与柔性支撑单元均采用rsa-6061或rsa-443铝合金材料。

13、进一步地，光学反射镜面设有低磷ni-p精密镀层，光学反射镜面的粗糙度ra≤2nm。

14、进一步地，铝合金镜体周向还设有位于其质心面上的配重孔，配重孔用于光学反射镜面在单点车加工阶段与机床对准调心时装卡配重块。

15、一种大口径可见光波段铝合金空间反射镜组件的制备方法，用于制备上述大口径可见光波段铝合金空间反射镜组件，包括如下步骤：

16、s1、选取铝合金镜坯，对铝合金镜坯进行整体粗铣成型，得到铝合金镜体，铝合金镜体正面形成光学反射镜面的基体面，铝合金镜体背部形成包括三个支撑腔的轻量化结构，并在支撑腔的安装台上加工锁紧孔；同步加工三个柔性支撑单元；

17、s2、对粗加工后的铝合金镜体进行第一次去应力时效，释放粗加工残余应力；

18、s3、对铝合金镜体进行半精铣，修整铝合金镜体的轮廓、光学反射镜面的基体面、锁紧孔；对半精铣后的铝合金镜体进行第二次去应力时效；

19、s4、精加工光学反射镜面，并在光学反射镜面上制备低磷ni-p镀层后完成初抛光；

20、s5、将三个柔性支撑单元通过锁紧件分别锁紧在三个安装台上，完成三点式支撑结构装配；完成铝合金空间反射镜组件的装配；

21、s6、对装配完成的铝合金空间反射镜组件进行低温时效处理，释放装配锁紧应力；

22、s7、以装配后的铝合金空间反射镜组件整体为加工基准，对光学反射镜面进行二次精密修形加工，补偿装配引入的面形误差，获得满足可见光波段成像要求的光学反射镜面。

23、进一步地，s7中，二次精密修形加工依次包括单点金刚石车削成型、数控小磨头抛光、磁流变抛光和离子束修形。

24、应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

25、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

26、1、消除了异质材料界面热失配与装配残余应力，提升了长期在轨稳定性：本技术采用无镶嵌件整体铝合金结构，柔性支撑单元与铝合金镜体采用相同铝合金材料，热膨胀系数完全一致，不存在异质材料热失配；无镶嵌衬套，消除了粘接、压配带来的残余应力，避免了力学振动、热循环后界面滑移、松动风险，有利于大口径反射镜长期在轨稳定性。

27、2、释放了装配应力，保证了大口径可见光波段纳米级面形精度：本技术采用“先装配、后二次精加工”的工艺顺序，反射镜组件完成三点支撑整机集成、螺钉锁紧装配后，以反射镜组件整体为加工基准，对光学反射镜面实施集成后二次精密修形加工，抵消三点支撑螺钉预紧应力、装配预应力引入的面形畸变，最终可见光波段镜面面形rms≤λ/50（λ=632.8nm），高低温循环去应力时效（50℃~+120℃）后面形变化量≤λ/80（λ=632.8nm）。

28、3、兼顾了轻量化率、结构刚度与应力卸载能力：本技术针对ф650mm大口径可见光成像工况，采用背部三点对称支撑搭配圆柱形柔性支撑构型，柔性支撑上柔性释放槽阻断螺钉锁紧应力向光学反射镜面扩散；背部轻量化结构采用主筋与辅筋的复合构型结构，反射镜轻量化后模型质量为19.3kg，轻量化率为85.3%，反射镜组件整机刚度满足航天力学环境要求，反射镜组件整机一阶固有频率≥135hz。

29、4、简化了结构与装配工序，降低了制造成本与装配难度：本技术采用全铝同质材料匹配设计，无需复杂热补偿结构，零件数量少，装配工序简化；铝合金可通过单点金刚石车削实现光学面成型，并支持组件装配完成后再开展光学面二次精加工，能够有效释放装配引入的应力变形，有利于铝合金反射镜在大口径高分辨率空间相机上的进一步工程应用。