Дзеркала для телескопів успішно худнуть

Нове покоління надзвичайно легких телескопів на Землі, космосі або Місяці може бути можливим за допомогою технології композитного дзеркала, розробленої спільно НАСА та приватною промисловістю. Техніка оптичної реплікації створила дзеркала з тонким листом діаметром 0,6 м, вагою менше одного кг, дзеркала, зміцнені сердечником, довжиною 0,9 м, вагою 4 кг та рефлекторну решітку 1,5 ¥, що наближається до 23 кг. Важать скляні дзеркала з однаковими площами поверхні із традиційним співвідношенням діаметра до товщини 6: 1

Тиражування дзеркал з армованими графітовим волокном композитами робить їх тонкими.

Нове покоління надзвичайно легких телескопів на Землі, космосі або Місяці може бути можливим за допомогою технології композитного дзеркала, розробленої спільно НАСА та приватною промисловістю. Техніка оптичної реплікації дала дзеркала з тонким листом діаметром 0,6 м, вагою менше одного кг, дзеркала, зміцнені сердечником, довжиною 0,9 м, вагою 4 кг, і рефлекторну решітку 1,5 ¥ 2,5 м, що наближається до 23 кг. Скляні дзеркала однакових площ, із традиційним співвідношенням діаметра до товщини 6: 1, важать відповідно 60, 200 та 2700 кг. 1,2

Привід зменшити вагу дзеркала в телескопі безпосередньо пов’язаний з тим, що вага оптики визначає тип і вагу опорної конструкції, механізму приводу і, зрештою, загального корисного навантаження. Композитні дзеркала-репліки, безумовно, є найлегшими з нових технологій, показаних на нещодавній конференції NASA Next Space Generation Technology Telescope Technology Challenge, що відбулася в Окснарді, штат Каліфорнія (див. Рис. 1). Потенційні додатки нової технології включають портативні телескопи літрового класу для дистанційного зондування, спостереження та аматорської астрономії, а також великі дзеркальні решітки для збору світла, космічні сонячні концентратори, тренажери льотного навчання, магічні шоу та фізику високих енергій . Також можливий кардинально новий підхід до побудови наступного покоління дуже великих (більше 10 м) телескопів на землі та в космосі з надзвичайною економією витрат та часу виготовлення порівняно з традиційними техніками.

Графітоволоконно-композитні відбивачі вже є стандартним тарифом для радіоантен та систем космічного зв'язку. Композитні дзеркала-репліки - побудовані як з відомих графітових епоксидних матеріалів, так і з нових композитів графіт-ціанат-ефір-смола - відрізняються тим, що поєднують надзвичайно малу вагу з чудовою гладкістю поверхні, чого раніше не вдалося розробити великим космічним агенціям . Наприклад, легкі композитні дзеркала були перевірені з поверхневою мікронерівністю до 0,7 нм середньоквадратичного значення - плавніше, ніж основне дзеркало космічного телескопа Хаббл при 2,5 нм.

Традиційне виготовлення дзеркал - шліфування скляної заготовки для формування та покриття її світловідбиваючою поверхневою плівкою - досягає легкої ваги, включаючи спеціальні матеріали з низькою вагою, роблячи підкладку тоншою і, можливо, вирізаючи отвори в задній частині. Процес обмежений мінімальною товщиною, необхідною для шліфування, та необхідністю уникати друку на опорі. Навіть при використанні берилію - найлегшого матеріалу, щільність площі (маса/одиниця площі) становить 15-25 кг/м2. Площа площі первинного дзеркала космічного телескопа «Хаббл», що використовує скляний листок та конструкцію з яєчного ящику, становить близько 180 кг/м2.

Оптична реплікація досягає площини площі до 2 кг/м2 при діаметрі 0,6 м - найнижчої серед сучасних легких технологій. Щільність становить, наприклад, одну третину до однієї десятої площі площі карбіду кремнію, вуглецевого волокна/карбіду кремнію та тонких дзеркал із скляною оболонкою. Цей показник набагато нижче цільового показника 15 кг/м2 космічного телескопа наступного покоління, який зараз вивчається, або цільового показника 12 кг/м2, якого проект намагається досягти за допомогою берилію.

Першим кроком в процесі оптичної реплікації є шліфування та полірування скляної оправки до оберненої до потрібної форми форми (див. Рис. 2). Опукла оправка потрібна для увігнутого дзеркала, і навпаки. Потім дослідники наносять на оправку послідовні шари (або шари) попередньо просочених матеріалів із графітоволокнистих композитів (препреги) під різними кутами. Потім отриманий ламінат затвердіває під нагріванням і тиском, звільняється від оправки і покриває вакуумом світловідбиваючим покриттям, таким як фторид магнію алюмінію (Al/MgF2) або карбід кремнію (SiC2). Оболонка товста лише настільки, наскільки це необхідно для підтримки фігури, а основні основи можуть бути додані для підвищення жорсткості.

Ця послідовність майже така ж, як і звичайний спосіб виготовлення композитних ламінатів, з однією великою різницею. Традиційні методи укладання не можуть отримати гладкі оптичні поверхні, оскільки графітові волокна, необхідні для жорсткості та міцності, надають поверхні шорстку текстуру, яка розсіює світло та спричиняє помилки в оптичній фігурі. Composite Mirrors Applications (Tucson, AZ), розробник коду нової техніки виготовлення, розробив успішну стратегію подолання друку графітових волокон. Під час процесу укладання дослідники вводять дуже тонкий шар чистої смоли між матеріалом препрегу та оправкою. Смола затвердіває разом з ламінатом і стає оптичною поверхнею, усуваючи поверхневу текстуру волокна (див. Рис. 3).

Товщина верхнього шару смоли є критичним параметром. Якщо шар занадто тонкий, волокна друкуються наскрізь. Якщо вона занадто товста, смола набуває сипучих властивостей і має тенденцію до відклеювання або розтріскування. В результаті широких випробувань було встановлено, що оптимальна товщина смоли становить від 30 до 50 мкм і свідчить про стабільність у вакуумі та при кріогенних температурах. Складові дзеркала з оптимальною товщиною смоли випробовували у вакуумі та до температури рідкого азоту (77 K або -196 ° C) без мікротріщин та розшарувань.

Гнучкий процес може виробляти як дзеркала з тонким фасадом, так і зміцнені в стільниковому сердечнику дзеркала, а також виготовляти як дзеркала, так і опорні конструкції з того ж композиційного матеріалу. Крім того, іонне подрібнення не має негативних наслідків для гладкості поверхні. Існує активний контроль фігури, із виготовленою з точністю фігурою до 1/5 хвилі (632,8 нм). Середньочастотна пульсація менше 1/30 діапазону хвиль (632,8 нм).

Реплікація композитів також забезпечує високу однорідність продукту. Як і можна було очікувати, репліка-дзеркала, виготовлені з тієї ж оправки, демонструють значно менший розкид, ніж якби кожне дзеркало працювало окремо. Це може призвести до деяких дуже цікавих застосувань, таких як надзвичайно великі телескопи з первинними дзеркалами, що складаються з сотень однакових сегментів.

Не менш важливими є низькі витрати на виготовлення. Оптична реплікація працює зі стандартними композитними печами для затвердіння та камерами для вакуумного покриття, а графітові епоксидні та ефірні графітові ефіри смол є широко доступними стандартними промисловими продуктами. Крім того, для виготовлення потрібна лише невелика кількість композиційних матеріалів.

Виробництво швидко відбувається, коли є скляна оправка. Наприклад, на укладку та затвердіння 0,9-метрового дзеркала потрібно близько трьох тижнів (технічні характеристики - одинарні отвори до 0,9 м, вирівняні масиви дзеркал до 1,5 ¥ 2,5 м).

До ідеальних фігур

Оптика обмежена дифракцією, якщо її фігура не відхиляється від ідеальної поверхні більш ніж на одну чверть

довжина хвилі світла, виміряна від піку до долини - або приблизно 1/19 середньоквадратичної хвилі. Технологія композитного дзеркала швидко наближається до цієї мети, але спочатку потрібно вирішити дві проблеми.

1. Високі витрати на оснащення. В даний час основними витратами є оправка, яка частіше вимагає опуклості. Як засвідчить будь-який оптик, шліфувати та тестувати опуклі форми складніше, ніж увігнуті, тому опукла скляна деталь зазвичай коштує в десять разів більше, ніж увігнута шматок тієї ж форми. Тому витрати на оснащення високі для виготовлення великих оптичних одиниць в одиницях. З іншого боку, багато копій можна виготовити з оправки, що дозволяє амортизувати вартість протягом терміну її корисного використання.

2. Властиві фігурні помилки. Прецизійні дзеркала, виготовлені з композитних ламінатів, мають неминучі помилки в фігурі, особливо астигматизм. Це відбувається тому, що кути між шарами ніколи не можуть бути точними, а волокна всередині окремих шарів мають виробничі допуски, які можуть обмежувати їх вирівнювання. Комп’ютерне моделювання показує, що цей відхід від ідеального вирівнювання шарів та волокон сприяє невеликому викривленню ламінату, який, хоча і незначний за механічними мірками, є значним (кілька хвиль) з точки зору відступу від оптичного вдосконалення.

Дослідники повідомляють про майже щоденний прогрес у вирішенні обох проблем. Для покриття витрат на оснащення вони вводять в експлуатацію полірування скляних оправок звичайним способом. Іншим варіантом є подвійна реплікація, яка працює з увігнутої оптики відомого малюнка та епоксидної смоли для формування парабол довільної кривизни та розміру.

Щоб обмежити властиві фігурні помилки, підхід полягає в точній настройці процесу реплікації. Це включає зміну таких параметрів, як матеріал препрегу, товщина шару, розмір волокна, щільність волокна, вміст смоли, схеми укладання, температура затвердіння, час затвердіння та циклічність після затвердіння. Будь-які залишкові фігурні помилки виправляються за допомогою активного контролю фігур. Необхідне обладнання не обов'язково буде дорогим або складним. o

1. P. C. Chen et al., Opt. Інж. 37 (2), 666 (1998).

2. П. Чен і Р. Ромео, "Виготовлення та випробування дуже легких композитних дзеркал", космічні телескопи та прилади V, Proc. SPIE 3356, P.-Y. Белі та Дж. Б. Брекінрідж, ред., Стаття # 3356-128 (1998).

Натисніть тут, щоб збільшити зображення

РИСУНОК 1. Дитина легко тримає дзеркало діаметром 24 дюйма з графітового композитного матеріалу, що важить близько 0,75 кг. Скляне дзеркало такого ж розміру і зі звичайним співвідношенням сторін 6: 1 важило б близько 52 кг.

Натисніть тут, щоб збільшити зображення

РИСУНОК 2. Скляна оправка, відшліфована до

додаткова форма дзеркала бажана (а) покрита послідовними шарами попередньо просоченого композитного матеріалу з графітового волокна, утворюючи ламінат (б), який при затвердінні в печі,

твердне в оболонку і звільняється від

оправка (в); оболонка перевернута та покрита вакуумом відбиваючою металевою плівкою (d).

Натисніть тут, щоб збільшити зображення

РИСУНОК 3. Для подолання друку графітових волокон між попередньо просоченим матеріалом і оправкою вводять дуже тонкий шар смоли; після затвердіння шар смоли стає оптичною поверхнею.