当前，大国之间的竞争与对抗愈演愈烈，已经从传统的海陆空域拓展到了太空领域．作为人类视觉感官能力延伸的空间光学系统，在侦察测绘、导弹预警、态势感知和深空探测等诸多领域有着广泛的应用，其成像性能的高低基本决定了各国在相关领域的主动权和话语权．其中集光能力和角分辨率是体现空间光学系统性能的两个核心指标．在衍射极限成像条件下，角分辨率α与其通光口径D成反比，集光能力与D2成正比[1]，因此增大口径和提高角分辨率是提高光学系统总体性能的有效途径．从总体精度角度来说，瑞利判据认为：当经过光学系统传输的光束波面与参考球面最大偏差(PV)≤λ/4(λ为光学成像的波长，一般取λ=632.8 nm)时，系统可以达到衍射极限完善成像[2]，相应系统波前差的均方根误差(RMS)≤λ/14．斯特列尔定义了艾里斑[3]光强与理想光强的比值(SD)，并认为当比值≥0.8时，光学系统是完善的，对应的均方根误差≤λ/14[4]．这两个判据确定了光学系统的总体精度要求．光学系统中的光机结构相当于其骨架，须保持各光学表面、仪器终端的位置和形状[5]，确保系统满足衍射极限成像精度要求．在制造能力和检测精度不断逼近各自极限的情况下，镜面在光机结构支撑状态下的姿态和面形精度及稳定性，已经成为制约先进光电系统性能提升的瓶颈．现如今，先进光电装备研制的核心难点之一转变成保证其中主要光学元件的精度．例如，为实现可见光波段(λ=632.8 nm)的衍射极限成像，典型大型镜面在4 m口径范围内实现上述PV≤λ/4≈158 nm的要求，尺寸/精度比值均超过了107量级(2.53×107)，与射电望远镜(如贵州500 m口径球面射电望远镜，FAST)105量级的尺寸/精度比值相比，具有突出的全制造链路和多学科集成难度，也面临更大的研制周期压力[6]．超大口径、超轻量化、极高精度、极高效率等特点体现了当前空间光学工程的需求极限，本文讨论这些极限需求所对应的关键力学问题．1 空间大型镜面材料选择过去十年，我国高分辨率对地观测专项先后发射了十余型高分辨率遥感卫星，初步形成了全天时、全天候、全球性米级、亚米级分辨率观测能力．然而，其中绝大多数卫星分布于较低轨道，轨道周期1~2 h、热点地区重访时间只能按天计算，无法满足时敏目标跟踪、抢险救灾、环境监测等应用领域的高时效性需求．其中地球同步轨道(GEO)卫星具有凝视地球的高时间分辨率优势，但空间分辨能力明显不足，亟待数量级提升．欲在GEO获得较高分辨率(米级)，即使借助超分辨成像、计算光学等先进技术，其空间相机的口径大约也需要10 m量级[7]．而空间相机口径的增大，为其光学性能保证、结构值量控制带来了双重困难，对此Nelson曾有过以下预测[8]δ∝D4/t2; m∝D3.5,式中：δ为镜面变形幅值；D为镜面口径；t为镜坯厚度，理想成像条件要求系统波像差PV≤λ/4，或RMS应优于λ/14，对应δ在镜面RMS值优于λ/40，该指标对于大型镜面而言极难实现；m为空间相机的质量，决定发射成本，大致每减轻1 kg可节省发射成本约2万美元，因此须在保证成像性能基础上使空间相机的质量最小化．目前已有许多科研人员针对中小口径镜体的优化设计开展了研究工作[9-10]．超大口径镜面(地基4 m以上、天基2 m以上)的设计由于构型复杂、计算量大、制造约束复杂等原因，目前主要还是依赖于经验．现阶段，中国4 m 反射镜和美国8.4 m 反射镜，分别代表国内外单镜制造的能力极限[11-13]．由于我国新一代大型运载火箭包络尺寸为5 m，因此高分辨率遥感所需的大型主镜只能采取拼接方案．进一步地，采用拼接镜面还将带来两大显著优势：大幅降低自重，放松对制造条件、运载发射能力的要求；系列化、型谱化子镜设计可使批量化加工成为可能，从而显著提高制造精度和效率．自Nelson提出拼接镜面概念起[8]，人们先后实施了地基Keck双子望远镜、天基詹姆斯•韦伯望远镜(James Webb space telescope，JWST)、地基三十米望远镜(thirty meter telescope，TMT)和欧洲极大望远镜(European extremely large telescope，E-ELT)等望远镜计划．我国已建成地基拼接式光纤光谱望远镜(the large sky aera multi-object fiber spectroscopy telescope，LAMOST)[14-15]，按计划天基4~10 m口径望远镜也将步入拼接时代[16-17]．图1所示为三个著名空间望远镜与拼接望远镜KECK的镜面构型对比[6]，包括已经服役的0.85 m斯皮策空间望远镜、2.4 m的哈勃望远镜(Hubble space telescope，HST)及刚发射不久的6.5 m JWST．从总体上看，采用拼接方案建造大型空间望远镜已是大势所趋．10.13245/j.hust.239150.F001图 1三个著名空间望远镜与拼接望远镜KECK的镜面构型对比90年代发射的HST使用了玻璃材料，而刚刚发射的JWST则选用性能更优的铍材料，但其粉末有剧毒[18]．考虑到综合力热性能和加工环保性，当前碳化硅材料(SiC)已成为较有优势的空间大型镜面材料．受到国外Herschel 3.5 m反射镜[19]的应用启发，我国实现了SiC材料在地基2 m[20]和4 m超大反射镜[11]、天基载人航天工程专项和高分专项系列空间望远镜的成功应用[21-23]”，表明我国突破了围绕SiC光学材料研制空间望远镜的全链路自主可控技术，也证实了SiC材料在空间光学镜面应用上的显著优势．美、法、德、中等国家都已投入巨资积极研制大口径SiC反射镜，目前1.5 m量级的SiC反射镜制造技术已趋于成熟．据公开报道，国外尺寸最大的SiC反射镜是3.5 m Herschel焊接式主镜，但受焊接应力影响，其面形RMS只达到微米级精度，无法用于可见光成像．国内中科院长春光机所、上海硅酸盐所、光电所和哈尔滨工业大学等单位均已掌握米级SiC反射镜技术，并用于诸多项目中．笔者参与的若干超大型单体式反射镜均已完成验收[11,24-25]，面形达到20 nm RMS．尽管如此，还是遗留了一些问题，如面密度超过100 kg/m2，为后续装调、快速精密控制带来极大挑战，将其作为空间光学元件使用，还须展开大量的结构轻量化工作．2 超轻量化结构设计与优化近年来SiC材料在空间光学系统中得到了大量应用[26-27]．美、法、德等国家在SiC镜面材料研制领域起步早、基础好，技术相对先进，相关技术对外严密封锁．我国立足自主创新，取得了较为丰硕的成果，并逐步推动SiC反射镜向两大趋势快速发展：一是前述口径大型化、不断突破制造极限；二是结构轻量化水平越来越高、面密度越来越低，越来越适用于航天场景．SiC材料强度刚度高、热稳定性好，并具有轻量化结构近净尺寸成形等优势，具有巨大的轻量化设计空间．尽管学术界开展过比较多的关于镜体优化的工作，但目前在实际工程中主要还是依赖于设计经验、具体制造工艺和主动光学技术进行镜体的轻量化设计和制造．美国喷气动力实验室（jet propulsion laboratory，JPL）已实现面向空间应用的1.35 m口径超轻SiC镜面研制．镜体面密度低于15 kg/m2(仅为哈勃太空望远镜主镜的8%)，加上面形校正系统后的组件面密度约为25 kg/m2．镜面加工后的面形PV值大约为1.88 μm ，经342个促动器校正后，面形RMS值达到14 nm[28]．由于技术先进和用途敏感，因此许多关键信息均未披露．与此同时，我国在SiC镜体轻型化方面取得了一些标志性进展，已实现工程应用的1~1.5 m镜体面密度一般都能达到100 kg/m2的轻量化水平．中科院光电所研制了面密度11 kg/m2的Ф500 mm超轻量化SiC镜坯，后续镜面制造进展未见报道[29]．笔者参与研制了面密度10 kg/m2级的Ф200 mm和Ф500 mm的超轻量化SiC反射镜[30]，最近郭疆团队[31]设计了一面口径为2m、面密度为34 kg/m2的SiC反射镜，将传统大型空间镜面设计水平推向了一个新高度．总体上这类轻薄型镜面成形后面形精度较低且不稳定，加工难度较大，制造效率不高．3 面形精度保持及稳定性问题分析空间光学望远镜一般运行在500 km以上轨道，镜面入轨后将由于重力释放而产生面形变化．为保持地面检测精度和空间使用精度的一致性，1 m以上大型镜面均应将其变形控制到均方根误差在 λ/40以内的水平．如何获取失重环境下的镜面面形尤为重要，可采用以下两种方法：一是多姿态面形检测法，检测反射镜在不同姿态下的面形变化，再利用插值或平均算法预测反射镜的无重力工况下的面形数据[22,32]；二是基于多点浮动支撑的原位检测，通过杠杆衡力结构、液压或气动支撑，在多支点施加支撑力，实现模拟失重环境下的面形预测[6]．除了重力释放变形，对大口径轻薄型镜面而言，光学制造过程还会额外引起镜面的大幅变形，其幅值容易超过材料去除量，使得光学检测面形真伪难辨，制造过程陷入盲区后较难收敛．这种镜面变形含有显著的外力变形和内力变形．对于外力变形，可通过优化支撑结构将其妥善解决[10]．在内力变形方面，人们已达成共识：在相同边界条件下，加工后的镜面变形与亚表面残余应力有关[33-34]．虽然对SiC材料残余应力已有一些测试工作[35]，但对其引发的镜面变形问题研究较少，且未深入研究镜面变形、残余应力和制造、装调工艺之间的联系．为应对残余应力引起镜面复杂变形的问题，研究人员采取的策略主要有：基于面形检测结果，不断缩小磨料粒径，实现应力释放和面形收敛；使用低应力抛光技术(如磁流变加工技术、离子束修形技术等)完成镜面的最终修形．这些策略用于轻薄型SiC镜面制造时，存在以下不足．a．检测面形真伪难辨，容易误导加工．本团队在参与900 mm口径厚12.5 mm的玻璃研抛中，发现了22 μm的残余应力变形[36]，而SiC材料去除效率不到玻璃的1/4、残余应力可能比玻璃大1~2个数量级，造成的镜面变形更不容忽视．一方面，直接采信检测面形将误导加工、延长制造周期；另一方面，采用效率较低的低应力抛光技术难以解决轻薄镜面的大变形问题．b．缺少对制造和装调残余应力的调控手段．现有制造质量评价方法只以面形收敛为目标，忽略了对镜面应力的调控，存在安全、质量和效率隐患．如，SiC材料研磨残余应力达1.5 GPa[37-38]，抛光残余应力达600 MPa[34]，亚表面将由此萌生微裂纹，导致薄镜面碎裂；又如，文献[39]中就报道了在镜面制造接近完成的阶段，由于光机结构黏结应力导致镜面面形RMS由0.033λ退化到0.127λ的质量事故．最近还发现了由于表面工艺残余应力引起的轻薄型SiC镜面的低、中阶面形误差耦合现象，某轻薄型SiC镜面的制造工艺残余应力变形如图2所示[40]．制造工艺残余应力主要造成镜面的曲率改变，即产生离焦误差，如图2(a)所示．从宏观变形扣除离焦分量后，镜面仍然遗留了如图2(b)所示最大偏差1.8λ量级的中频变形，其产生机理尚不明确．10.13245/j.hust.239150.F002图 2某轻薄型SiC镜面的制造工艺残余应力变形为深入理解制造工艺所致镜面多尺度变形机理，并指导制造质量和效率提升，笔者认为可基于检测面形重构、应力调控思想，建立驱动轻薄型SiC镜面制造装调工艺升级的协同评价新方法，并完成可用性验证，为空间光学系统提供高质量核心元件．4 制造效率提升途径除了面形精度及其稳定性，制造效率太低是空间光学系统面临的另一大瓶颈问题．除了前述大型拼接式望远镜的动辄数十至数百片离轴非球面的制造需求，在低轨星座中也需要为数众多的非球面元件，如美国太空发展局下一代太空体系中，传输层和跟踪层都需要数百套非球面光学系统用于激光通信和导弹预警．这些系统中，为了同时实现大视场和高分辨需求，并考虑到快速机动、批量制造、成本控制和弹性部署等因素，超轻量化光学非球面必将大显身手．目前，加工这类非球面的传统技术路线还存在不确定性大、费用昂贵和效率低下等问题．作为一种提质增效的镜面加工方式，预应力加工技术最早由美国加州大学的Nelson 提出[41-42]，并用该方法加工了口径 360 mm的离轴抛物面样镜，经10 m级Keck 望远镜建造趋于成熟，目前也在美国三十米望远镜TMT及欧洲极大望远镜E-ELT项目中得到了充分应用．预应力镜面加工的主要原理是：首先，根据板壳力学理论，利用加载机构在镜坯边缘加载一定形式的横向剪力和弯矩(外载)，使镜面产生弹性变形位移场，该位移场恰好与所需非球面及其最接近球面面形差异的幅值相同、方向相反；然后，在保持加载的情况下采用经典球面研磨抛光工艺将镜面加工为最接近球面；最后，在球面加工收敛后卸去外载，理论上得到的镜面将反弹为所需的非球面面形．采用球面加工工艺，可以使用曲率半径贴合较好的大口径磨盘，实现快速加工，还可避免子口径加工(如小磨头技术、磁流变抛光技术和离子束抛光等)带来的镜面中高频面形误差．国内研究团队也于20世纪初开始了相关的研究工作，2009年中科院光电所孙天祥等对基于可控应力变形理论的非球面制造技术展开了研究[43]，针对口径 314 mm同轴抛物面开展预应力抛光研究，在各个加载杆上施加相同的力，获得了预应力抛光试验初步结果．2012年中科院天光所李新南等[44]提出加工离轴非球面的预应力环抛方法，计算了镜面离焦、像散和彗差，在口径330 mm、非球面度16 μm离轴镜面上完成了加载力与偏离量重复性实验；随后姜自波等[45]通过预应力细磨实验展示了在接近条件下，实现加工时间从40 h到6 h的效率提升．前述低轨预警系统一般采用小F数离轴非球面镜，其非球面度增加1个数量级以上，须对现行方法体系补充镜面高阶误差理论，并从系统工程角度提出对加载、加工、装调系统的误差分配要求；此外，加载结构的调节行程/精度比值，也相应提高一个数量级以上，将制约其加载结构的动态范围和结构可实现性．欲对小F数镜面进行快速低成本预应力加工，须解决设计-制造-集成-测试全链路中较为突出的高陡度/大偏离量离轴非球面形误差理论分析、高质量轻量化镜面预应力加载技术和非可逆集成工艺适应性等关键问题．本团队通过理论推导、有限元仿真和相关概念设计，从原理上分析了采用预应力抛光法加工这类大非球面度镜面的可行性[46-47]，后续工作有待进一步开展．