Главная arrow Поиск
Select language:
 ENG
 RUS
Крупнейший производитель оптического стекла на территории РФ
Качество прежде всего !
Нетрадиционные технологии для создания облегченных астрономических зеркал Печать E-mail

Абдулкадыров М.А., Белоусов С.П., Игнатов А.Н., Румянцев В.В., Самуйлов А.В.

1. ВВЕДЕНИЕ

Решение задач по созданию высокоразрешающих оптических систем требует привлечения значительных финансовых средств. Данное обстоятельство может стать причиной ограничивающей дальнейшее развитие астрономических исследований. Целью данной работы является демонстрация путей снижения стоимости изготовления зеркал для астрономических инструментов.

2. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗЕРКАЛ

К материалам для крупногабаритных зеркал предъявляются следующие требования, обусловленные жесткими допусками (порядка 0.01 мкм) на соответствие поверхности зеркала расчетной форме и сохранения этой формы во времени:

  • высокая сопротивляемость внешним воздействиям (комбинация физических свойств, обеспечивающая малые механические и температурные деформации);
  • стабильность свойств и размеров во времени;
  • высокое качество полированной поверхности, обеспечивающее достаточно высокий коэффициент отражения зеркального покрытия;
  • малая плотность.

Материалов для астрономических зеркал, полностью отвечающих всем перечисленным требованиям, пока нет. Однако, вследствие таких свойств как высокая изотропность стабильность, полируемость, наиболее доступная цена и самое главное коэффициент термического расширения близкий к нулю стеклокерамика является наилучшим материалом для изготовления заготовок для крупногабаритных зеркал.

Недостатками этих материалов является низкая теплопроводность, малая механическая прочность и сравнительно высокая плотность.

Прежде чем перейти к анализу путей снижения влияния вышеуказанных недостатков на эксплуатационные параметры зеркал, повидимому целесообразно привести некоторые характеристики стеклокерамики.

Наиболее популярной стеклокерамикой на сегодняшний день является "Церодур" производимый фирмой "Шотт" (Германия). Однако благодаря значительно меньшей стоимости (примерно на 40%) все более популярным становится ситалл оптический СО-115М производимый фирмой "ЛЗОС" (Россия).

Таблица 1. Свойства ситалла СО-115М и Церодура

материалСиталл СО-115МЦеродур
Средний коэффициент линейногo расширения в диапазоне температур от -60oС до +60o, (К-1)±1.5 x 10-7(-2±1) x 10-7
Показатель преломления (ND)1.5361.542
Плотность (г/см3)2.462.35
Модуль Юнга (МПа)9.2x1049.3x104
Коэффициент Пуассона0.280.24
Удельная теплоемкость (Дж/г x К)0.920.80
Теплопроводность (Вт/м x К)1.181.46
Температуропроводность (м2/с)0.52 x 10-60.72 x 10-6

3. ВАРИАНТЫ КОНСТРУКЦИЙ ОБЛЕГЧЕННЫХ ЗЕРКАЛ

Как уже упоминалось выше, недостатками стеклокерамики является сравнительно высокая плотность. Наиболее эффективным способом устранения данного недостатка является изготовление зеркал облегченной конструкции.

На рисунках 1, 2, 3 приведены различные варианты конструкций облегченных зеркал изготавливаемых на фирме "ЛЗОС".

 


рис.1 Конструкция облегченного зеркала с перфорированной тыльной стороной.

На рис.1 показана конструкция монолитного зеркала, в которой для облегчения конструкции выполнены облегчающие полости с тыльной стороны зеркала. Недостатком данной конструкции является длительный цикл изготовления несимметричность конструкции, что уменьшает жесткость и стабильность формы зеркала.

 


рис.2 Конструкция облегченного зеркала типа "сандвич".

На рис. 2 приведена конструкция зеркала согласно которой части слоистого зеркала из оптического ситалла соединяют между собой электроадгезионным способом. Недостатком этой конструкции является длительный цикл изготовления шестигранных ячеек облегчения, а также то, что отсутствие принципов и критериев подбора соединяемых частей не обеспечивает стабильности оптической поверхности зеркала.

 


рис.3 Конструкция облегченного зеркала типа "сандвич" с оптимальной структурой облегчения.

Наиболее перспективной с точки зрения технологичности изготовления, минимизации деформации и достижения степени облегчения представляется конструкция изображенная на рис. 3.

Облегченное зеркало состоит из трех пластин 1, 2, 3. В средней пластине 2 для облегчения выполнены цилиндрические отверстия 4 радиусом r и 5 радиусом r0 и перемычки 6 толщиной b. С целью увеличения степени облегчения, центры отверстии большего диаметра расположены в вершинах равносторонних треугольников, а отверстия меньшего диаметра в центре этих треугольников, при этом радиусы отверстий большего и меньшего диаметров r и r0 соответственно связаны соотношением:

где b - толщина перемычки между отверстиями.

Результаты оценки степени облегчения конструкции и трудоемкости изготовления зеркал приведенных на рис.2 и 3 при равенстве их жесткостных характеристик сведены в таблицу 2.

Таблица 2.

Подложка зеркалаСтепень облегченияТрудоемкость изготовления
Вариант 2 (Рис. 2)65 %A
Вариант 3 (Рис. 3)83 %0.7 A


рис.4 Схема перемещения пластин в процессе сборки зеркала.
 

С целью повышения стабильности оптической поверхности зеркала, составляющие пластины вырезают из монолитной заготовки и собирают, смещая слои относительно их положения в исходной заготовке как по вертикальной оси, так и по угловому расположению, что поясняется рис. 4.

Соединение в единную конструкцию трех пластин осуществляется электроадгезионным способом. Сущность электроадгезионного соединения деталей из оптического ситалла СО-115М состоит в том, что при значительном нагреве в ситалле возникает электропроводность, что позволяет использовать электрическое поле для активации процесса дифузии между высокоточными полированными пластинами. Данные технологические решении используются для соединения подложек астрозеркала, состоящего из несущего облегченного каркаса, с нанесенным слоем металла по плоскостям соединения, и двумя покровными пластинами.

Процесс сборки зеркала показан на рисунке 5а, 5б, 5в.

 


рис.5а Манипуляция каркаса.
 
рис.5б Установка каркаса на пластину.
 
рис.5в "Сандвич" подготовленный к соединению.


рис.6 Облегченное зеркало 1500 мм.
 

Смещением слоев относительно их исходного положения достигается усреднение физико-механических свойств подложки зеркала, что существенно повышает изотропность ситалла, а создание замкнутой конструкции зеркала позволяет значительно повысить жесткость конструкции заготовки при значительном снижении характеристик.

Таким образом можно сделать вывод, что изготовление зеркал по конструкции приведенной на рис.3 позволяет практически полностью устранить недостатки стеклокерамики.

На рис. 6 приведен вид облегченного зеркала 1500 мм типа "Сандвич" изготовленного из стеклокерамик ситалл СО-115М.

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫБОРА БАЗОВЫХ СФЕР ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СОСТАВНЫХ ЗЕРКАЛ

Существенного снижения стоимости изготовления асферических поверхностей может быть достигнуто путем оптимального распределения припуска на обработку при их асферизации.

 


рис.7 Схема составного зеркала.
 
рис.8 Усеченный элемент.

В качестве примера рассмотрим процесс изготовления составного асферического зеркала состоящего из 36 гексогональных элементов эскиз которого приведен на рис. 7. Зеркало состоит из 6 типов элементов. Возможен целый ряд вариантов асферизации и окончательной обработки данного зеркала.


рис.9 Точки стыковки элементов.

Но на наш взгляд наиболее эффективным является следующий:

  • Изготавливается центральный вспомогательный элемент главного зеркала, который необходим для контроля внеосевых элементов первого типа (заштрихованные на рис. 7).
  • Изготавливаются сферические заготовки для элементов первого типа. Радиус кривизны на сферических заготовках равен внешнему радиусу кривизны на осевом элементе в области стыковки осевого и внеосевого элементов.
  • Производится асферизация поверхности заготовки первого типа, с постепенным распространением снимаемого материала к области стыковки элементов первого и второго типов. Причем надо отметить, что на данном этапе все элементы первого типа имеют внешний контур изображенный на рис. 8. После асферизации заготовке придается гексагональная форма и производится окончательная доводка поверхности.
  • Сегменты следующего типа предварительно изготавливаются сферическими, с радиусами кривизны равными внешнему радиусу кривизны асферического сегмента предыдущего типа (рис. 9). Для типа 1 с радиусом, равным радиусу асферической поверхности в точке А, для второго типа в B, для третьего типа в точке C, для четвертого типа в точке D, для пятого типа в точке E и для шестого типа в точке F.
  • Окончательная аттестация элементов проводится на стенде вертикального контроля в соответствии со схемой расположения элементов согласно рис. 10.

Данное распределение припусков на обработку позволит:

  • Изготовить все элементы составного зеркала с разнорадиусностью равной 0.
  • Исключить необходимость создания дорогостоящего оборудования для контроля радиусов кривизны.
  • Производить обработку и контроль каждого элемента составного зеркала без использования штатной оправы.
 
рис.10 Схема контроля.

5. КОНТРОЛЬ ВЫПУКЛЫХ АСФЕРИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ

Асферические поверхности в отличии от сферических, несравненно разнообразнее по своим видам, свойствам, параметрам, требованиям к точностям изготовления, условиям применения, поэтому создание универсального метода или прибора для контроля асферических поверхностей практически невозможно. Каждая асферическая поверхность индивидуальна, поэтому индивидуален и метод её контроля.

Следует отметить, что существуют ставшие классическими методы контроля (метод анаберрационных точек) с использованием вспомогательных оптических элементов, в частности схема Хиндла с вспомогательным сферическим зеркалом.

Однако часто бывают случаи, когда для контроля высокоапертурных зеркал прямое использования этих методов или вообще невозможно или крайне дорого. Такая проблема возникла при анализе возможных схем контроля вторичных зеркал имеющих следующие параметры:

1. Гиперболическое выпуклое зеркало телескопа VST:

  • световой диаметр 900 мм;
  • радиус вершинной сферы 4374.46 мм;
  • центральное экранирование 112 мм.

2. Гиперболическое выпуклое зеркало телескопа NOA:

  • световой диаметр 740 мм;
  • радиус вершинной сферы 4602.2 мм;
  • центральное экранирование 128 мм.

Данные зеркала изготавливаются на ОАО "ЛЗОС" по контрактам с фирмой "КАРЛ Цайсс Йена".

Было рассмотрено и просчитано несколько вариантов схем контроля, но из-за их трудной реализуемости и соответственно высокой цены применение одной из классических схем оказалось невозможным. В частности, для контроля этих вторичных зеркал понадобилось бы изготовить зеркало Хиндла диаметром 2800 мм. Трудность расчета заключалась в том, что необходимо проконтролировать высокоапертурные зеркала с различными параметрами и малым центральным экранированием. На рис. 11 и 12 изображены принятые схемы контроля этих зеркал с использованием двух вспомогательных зеркал М1 1950 мм и М2 1640 мм. Вторичные зеркала поочередно вводятся в схему и контролируются с совместно с каждым из вспомогательных зеркал. При этом, при контроле с зеркалом М1 засвечивается зона 900/268 мм для вторичного зеркала VST и 740.6/307 мм для вторичного зеркала NOA, соответственно при контроле с М2 имеем зоны 465/112 мм и 533/128мм.


рис.11 Контроль зеркала проекта VST.

В обоих случаях мы имеем зону перекрытия (зона которая контролируется как с зеркалом М1 так и с М2) от 200 и более миллиметров. Наличие этой зоны позволяет произвести сшифку топографий полученных после перекрытия позволяет расшифровки результатов интерференционного контроля с использованием зеркал М1 и М2 и построить общую топографию контролируемого вторичного зеркала.


рис.12 Контроль зеркала NOA.

По аналогичной схеме (рис.13) с использованием тех же сферических зеркал будет проконтролированно вторичное зеркало двухметрового телескопа TTL .


рис.13 Контроль зеркала TTL.

Гиперболическое зеркало имеет следующие параметры:

  • световой диаметр 617 мм;
  • радиус вершинной сферы 4813.19 мм;
  • центральное экранирование 59 мм.

Реализация данного метода существенно удешевляет процесс контроля и уменьшает сроки изготовления приведенных выше вторичных зеркал.

 
 
Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru
ОАО "ЛЗОС" 140080, г.Лыткарино, Мос.обл., Россия, ул.Парковая, д.1.
телефон/факс: (007-495) 552-32-95 / 552-17-90 e-mail: office@lzos.ru
© 2017 ЛЗОС - Лыткаринский Завод Оптического Стекла