CC BY
39
УДК 681.7
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА АСТРОНОМИЧЕСКИХ И КОСМИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ
Денис Вадимович Мусс
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент, тел. (913)716-53-96, e-mail: detective.klim@gmail.com
Елизавета Геннадьевна Бобылева
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: elizaveta.bobileva@yandex.ru
Александр Владимирович Пушкарев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент, тел. (999)451-08-87, e-mail: alex.push100@gmail.com
Дается краткий анализ технологических процессов производства астрономических зеркал. Показаны преимущества одних способов производства над другими.
Ключевые слова: зеркало, оптическая деталь, производство, заготовка, облегченные, монолитные и составные астрономические зеркала.
FEATURES OF THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF PRODUCTION OF ASTRONOMICAL AND COSMIC MIRRORS
Denis V. Muss
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., student, tel. (913)716-53-96, e-mail: detective.klim@gmail.com
Elizaveta G. Bobyleva
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., senior lecturer of the Department of Metrology and Optical Technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: elizaveta.bobileva@yandex.ru
Alexander V. Pushkarev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., student, tel. (999)451-08-87, e-mail: alex.push100@gmail.com
The brief analysis of technological processes of production of astronomical mirrors for the whole history of glass making and teleconstruction is given. The advantages of the same methods of production in other areas set before astronomy are shown to achieve progress in space and the development of optical production.
Key words: mirror, optical part, production, procurement, lightweight, monolithic, composite.
Давняя мечта человечества - найти свое место во Вселенной. Это стремление привело к созданию астрономических приборов, которые точно описывают движения и взаимодействия небесных тел. С появлением астрономических ин-
струментов стало ясно, что они должны обладать высокой разрешающей способностью.
Научный прогресс, в области исследований астрономии, был достигнут за счет значительных инженерных разработок, то есть создания новой измерительной техники.Принцип, приписываемый Галилео Галилею, говорит: «Следуетиз-мерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является».
С самого начала астрономии как науки, первые открытия были сделаны после введения новых технологий производства. Телескоп Галилео 1609 года с инновационной в то время технологией производства стеклянных линз и с новинкой из Голландии - диафрагмы, для улучшения производительности. А методы шлифования и полирования металлических зеркал, включенные в концепцию 1660 года Грегором и Ньютоном, позволили У. Хершелю построить телескоп, с помощью которого он впоследствии открыл Уран и многочисленные туманности.
Дальнейшее развитие технического прогресса и создание новых технологий привело к тому, что современная астрономия располагает огромным количество данных о космосе. С развитием технологий оптики столкнулись с рядом проблем.Несмотря на то, что в настоящее время эффективность приемников близка к теоретической, помехи при наблюдениях космосаостаются весьма серьезной проблемой. Вызвана она, как природными явлениями - облачностью, пылевыми образованиями в атмосфере или выбросами промышленных зон, так и жизнедеятельностью человека - засветка от населенных пунктов и другое.
Поэтому практически единственным направлением при разработке астрономических приборов остается увеличение размеровзеркал, то естьплощади отражающей поверхности. Но и здесь можно столкнуться с трудностями. Так с увеличением площади отражающей поверхности возрастают габариты и масса как готового зеркала, так и его заготовки. Это вызывает трудности не только на этапе обработки поверхности оптической детали, но и при получении заготовки.
В настоящее время применяются три модели изготовления астрономических зеркал - это монолитные, составные и облегченные. Рассмотрим и сравним технологии получения и обработки.
• Монолитные астрономические зеркала.
В качестве примера, разберем технологический процесс производства заготовки и обработки оптическогозеркала на Лыткаринском заводе оптического стекла (ОАО «ЛЗОС»). Предприятие является производителем стеклокристал-лического материала СО-115М - «Астроситалл» с предельно низким коэффициентом теплового линейного расширения.
Технология производства отливки изастроситалла остается традиционной для стекловарения. Она включает подготовку сырья, варку истудку стекломассы, отлив и термообработку.
Варка, является сложным, многоэтапным процессом, подразделяющимся на засыпку и развар шихты, осветление и гомогенизацию, в результате чего из шихты - смесь материалов, загруженных в ванну регенеративной печи перио-
дического действия, -образуется однородная стекломасса. Общая продолжительность варки, зависящая от отливаемого количества стекломассы, может достигать от 11 до 15 суток.
Затем готовую стекломассу остужают и проводят операцию термообработки (отжиг) в электрических печах для снятия внутренних напряжений и кристаллизации. Термообработка происходит в два этапа. Первый - при температуре размягчения состава подготавливаются условия для роста кристаллов. На втором- при температуре кристаллизации осуществляется сам рост кристаллов.
В итоге имеется отливка, в дальнейшем из которой получают заготовку будущего зеркала. Этот процесс состоит из нескольких этапов: изготовление окончательных геометрических параметров, шлифование задней поверхности, фрезерование глухих отверстий для разгрузки зеркала, фасок, центрального отверстия. Получение информации о топографии для выполнения асферизации происходит с помощью 3-х и 6-ти координатных измерительных машин, трехточечного линейного сферометра или ИК-интерферометра с зеркальным корректором.
Заключительным этапом производства является обработка заготовки и получение самого зеркала с рабочей поверхностью. Шлифование и полирование, как и стадия окончательной доводки оптического зеркала, проводятся на штатной или мембранно-пневматической разгрузке. Последняя позволяет производить не только формообразование зеркала, но и контроль формы поверхности навертикальном стенде.
Полирование для крупногабаритной оптики может проводиться тремя способами: с использованием смоляного инструмента, синтетического инструмента или ионно-лучевой и магнитореологической полировки. Но для оптических деталей в диаметре более двух метров применим только первый способ. А это очень длительный процесс, который может составлять несколько лет.
Таким образом, недостатками монолитных крупногабаритных зеркал является продолжительная варка и термообработка, большая масса, длительное фрезерование глухих отверстий для разгрузки. Все это приводит к главной проблеме монолитных зеркал - ограничению по возможным диаметральным показателям рабочей поверхности.
• Облегченные зеркала.
Существует несколько видов обработки облегченных зеркал.
Первый - это обработка задней поверхности заготовки фрезерованием для создания жесткой несущей конструкции. Для этого используют два варианта конструкций.Первый вариант заключается в облегчении полости с обратной-стороны заготовки, но недостатком этого варианта является длительный процесс изготовления асимметричных конструкций, что уменьшает стабильность формы зеркала и его жесткость. Согласно второму варианту из монолитной заготовки вырезают пластины. В средней пластине выполнены цилиндрические отверстия и перемычки, с целью увеличения облегчения отверстия большего диаметра расположены в вершинах равносторонних треугольниках, а меньшего
диаметра в центрах этих треугольников. При этом диаметры больших и малых отверстии связаны выведенным отношением.
Второй вид-изготовление астрономических зеркал методом электроадгезионного соединения (ЭАС). Сущность метода ЭАС заключается в электропроводимости астроситалла, возникающей при достижении высоких температур нагрева. В следствие чего используются электрические поля для активации процесса диффузии между контактирующими полированными поверхностями пластин. Это свойство позволяет создавать облегченные, многослойные зеркала с одной или двумя покровными пластинами и перфорированным несущим каркасом. Такая конструкция имеет более высокий показатель жесткости по сравнению с обычными способами облегчения.
Облегченные зеркала имеют такие же недостатки, что и монолитные зеркала за исключением проблемы большой массы, на решение чего и было направлено производство таких зеркал.
• Составные зеркала.
Составные астрономические зеркала представляют из себя подобие мозаики. Они состоят из небольших по размерам зеркальных сегментов, собирающихся в одно крупногабаритное зеркало с площадью рабочей поверхности, в разы превышающей возможные поверхности монолитных и облегченных зеркал. Контроль асферичности и ТП производства таких зеркал проще, чем в рассмотренных вариантах выше.
Для примера высокой эффективности производства легких составных зеркал рассмотрим проект телескопа GMT - Гигантского Магелланова Телескопа, - разработанного в StewardObservatory, США. Главное зеркало телескопа GMTвключает в себя семь крупногабаритных сегментированных зеркал, диаметр каждого равен 8,4 м, а общий вес зеркала составляет20т.В то время, как вес монолитного зеркаладиаметром 6 м равняется 42 тоннам.
Процесс изготовлениясоставного зеркала заключается в размещении на подложке1681 единицы оптических заготовок из боросиликатного материа-ла.Подложка собирается так, чтобы изначально придать нужную геометрическую форму будущемузеркалу. По окончанииданного этапа подложка с заго-товкаминакрывается вращающейся печью. Температура в печи, достигающая 1178 ^приводит к сплавлению многочисленных сегментов, а при скорости вращения печи в 5 оборотов в минуту образуется единый массив с параболической формой поверхности.Далее предстоит обычный для стекловарения долгий процесс охлаждения. После чего в StewardObservatoryна специальном оборудо-ваниипроводят операцию шлифования для создания вогнутой параболической поверхности. На этом этапе снимается от 6 до 8 мм материала и достигается точность до 100мкм.
На основании выше сказанного можно сделать вывод, что технология производства сегментированных астрономических зеркал является приоритетным и перспективным направлением в современном телескопостроении.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Большие оптические телескопы будущего [Электронный ресурс] //«Земля и Вселенная». - Электрон. дан. - 2004. - Режим доступа : http://ziv.telescopes.ru/latest.html/. - Загл. с экрана.
2. Семенов А.П., Абдулкадыров М.А., Белоусов С.П., Патрикеев В.Е., Придня В.В. Методы изготовления и контроля уникальных крупногабаритных астрономических и космических зеркал телескопов в ОАО ЛЗОС // «КОНТЕНАНТ» научно-технический журнал. -2014. - T. 13. - № 4. - C. 61-73.
3. ShoreP., TonnellireX. Percision Engineeringbehond European Astronomy Programmes [Текст] // CranfieldUniversityPrecisionEngineering.-2011. - № 1. - С. 2-4.
4. GMT Science Case 1пй^исйоп[Электронныйресурс] // «Giant Magellan Telescope Scientific Promise and Opportunities». -Электрон. дан. -М., 2012 г.- Режимдоступа: http://www.gmto.org/. - Загл. сэкрана.
© Д. В. Мусс, Е. Г. Бобылева, А. В. Пушкарев, 2017
