铍铝合金出现于上世纪70年代,它充分继承了铍的高性能和铝的易加工特性,欧空局将铍铝合金列为性能等级Ⅰ级的材料。铍铝合金问世之后,凭借其优异的轻质高刚度特性和良好的加工性能,主要应用于航空、航天、国防等对重量和刚度有严苛要求的领域。铍铝合金早期的应用主要集中在关键结构件,不包括光学反射镜。2000年前后,美国率先探索将铍铝合金应用于反射镜的制造,目前已初步实现产业化,但由于应用背景敏感,公开报道的材料非常少。我国是除美国之外,唯一拥有完整铍产业链的国家,但是直到2000年后才逐步突破铍铝合金材料的制备技术,并且由于铍铝合金的加工需要特殊的防护条件,材料的应用范围很有限,还处在探索阶段,面向光学应用的铍铝合金反射镜设计和制造技术更是处于空白阶段。本文研究的铍铝合金反射镜设计和制造技术,以新兴的铍铝合金材料为研究对象,综合考虑了材料制备、光机一体化设计、镜面改性、光学加工等设计和制造的全过程环节,突破其中的关键技术,完成了铍铝合金离轴反射镜的设计和制造,并通过一套离轴TMA成像系统对反射镜的光学性能进行验证。这些研究为后续铍铝合金反射镜向着大口径、自由曲面、光机一体化设计的发展起到了铺桥引路的作用,具有广泛的借鉴意义和参考价值。具体包括五方面的内容:第一:详细阐述了稳定性的基本概念和材料微观结构对反射镜稳定性的影响,通过对影响材料尺寸稳定性的因素分析,应用于反射镜制造的材料应该具备微观结构均匀致密、内部缺陷少、残余应力小、屈服强度高的特点。结合铍铝合金的两种成形工艺,确定了基于粉末冶金的铍铝合金反射镜材料成形方式。在制备过程中,以微屈服强度模型为指导,细化粉末尺寸,并结合等静压处理技术,实现铍铝合金微观结构均匀致密。第二:以红外应用的φ200mm同轴复合镜和可见光应用的320mm×120mm离轴长条形反射镜为对象,从轻量化和一体化两方面开展金属反射镜的设计技术研究,利用分析驱动设计的方法对反射镜的轻量化结构参数进行了优化。提出了一种适合于长条形离轴反射镜的轻量化设计,两层轻量化孔采用正交布置,在提高反射镜轻量化率的同时,保证了两个正交方向的刚度;提出了一种将镜体、柔性连接和支撑背板一体化的离轴反射镜组件设计,设计了专门的结构基准,实现从加工到装调的基准传递,有效提高加工和装调效率。第三:介绍了单点金刚石车床的结构组成和不同运动轴组合可实现的多种加工方式,采用拼盘车削的方式对口径280mm×100mm的离轴反射镜的单点金刚石车削。分析了离轴反射镜高速车削时,离心变形对镜面加工精度的影响过程;建立了利用有限元技术分析离心变形影响的方法,提出了一种离轴反射镜车削的辅助支撑方案和工装设计方法。最终通过优化工艺参数和辅助支撑的方式实现对离心变形的有效抑制,使反射镜车削后的面形精度从优化前的RMS0.786λ@0.6328μm提升到RMS 0.112λ@0.6328μm。第四:从铍铝合金的微观结构角度说明了反射镜表面需要改性的原因,结合微观结构、材料硬度以及与铍铝合金的热膨胀系数吻合度等方面的分析,选择化学镀镍作为改性层材料。形成了铍铝合金化学镀镍工艺,通过对改性工艺的改良,有效改善改性层与铍铝合金基体的结合力,并对改性层特性进行了测试。采用有限元分析技术对110mm×50mm平面反射镜的双金属效应进行分析,建立了利用有限元技术分析双金属效应的方法,并对分析结果进行了验证,试验结果还说明,同等条件下,铍铝反射镜的双金属效应远小于铝反射镜。第五:介绍了光学表面全频段误差的基本概念和评价方式,以及MCP501六轴联动抛光设备,该设备可实现多种不同的抛光和修形方式。采用偏置沥青抛光实现了对射镜表面中高频误差的抑制,有效去除了单点车削过程中的车刀痕,表面粗糙度接近2nm。采用主动射流抛光实现了对反射镜表面低频面形误差的修整,离轴反射镜抛光后的面形接近RMS 1/30λ@0.6328μm。研制了一套主镜为铍铝合金反射镜的离轴TMA相机,光学系统装调后波像差达到RMS1/8λ@0.6328μm,相机静态MTF(@77lp/mm)优于0.15,外景成像像质良好,实现了对铍铝合金反射镜的系统级验证。