Η επιλογή υλικών για δομές στήριξης καθρέφτη μεγάλου-διαφράγματος μετατοπίζεται από το Invar και το C-SiC προςκράματα τιτανίου. Χάρη στα εξαιρετικά χαμηλά χαρακτηριστικά παραμόρφωσής τους, τα κράματα τιτανίου γίνονται το υλικό επιλογής για αυτές τις κατασκευές.
Γιατί κράμα τιτανίου; Μια βασική μέτρηση που παραβλέπεται
Καθώς τα ανοίγματα των αστρονομικών τηλεσκοπίων μεγαλώνουν ολοένα και περισσότερο, οι απαιτήσεις για την ακρίβεια του σχήματος της επιφάνειας ωθούνται ενάντια στα φυσικά όρια. Για το πρωτεύον κάτοπτρο ενός διαστημικού{1}}βασισμένου τηλεσκοπίου βαρυτικών κυμάτων, η απαιτούμενη επιφανειακή ακρίβεια είναι RMS μικρότερη ή ίση με λ/50-που σημαίνει ότι οι επιφανειακές αποκλίσεις πρέπει να ελέγχονται εντός του εύρους μόλις πάνω από δέκα νανόμετρα. Σε αυτή την κλίμακα, ακόμη και η παραμικρή μετατόπιση διαστάσεων στη δομή στήριξης μεγεθύνεται σε παραμόρφωση απεικόνισης. Κατά την επιλογή υλικών για τέτοιες κατασκευές, η συμβατική πρακτική επικεντρώνεται στην πυκνότητα, το μέτρο του Young και τον συντελεστή θερμικής διαστολής. Ωστόσο, σε αυτό το συγκεκριμένο πλαίσιο, εμφανίζεται μια πιο θεμελιώδης μέτρηση: η μικρο-ισχύς απόδοσης. Ενώ η τυπική αντοχή διαρροής περιγράφει την τάση στην οποία ένα υλικό υφίσταται σημαντική πλαστική παραμόρφωση, η μικρο{12}}αντοχή διαρροής μετρά την τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό ενώ αντιμετωπίζει μόνο υπολειμματική καταπόνηση της τάξης του ενός μέρους ανά εκατομμύριο. Ο έλεγχος υλικού που διεξήχθη από το Ινστιτούτο Μνήμης Battelle για το Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA αποκάλυψε ότι, μεταξύ πολλών υποψηφίων, το κράμα τιτανίου Βαθμού 5 (GR5) προσφέρει την υψηλότερη αναλογία μικρο{13}}αντοχής διαρροής προς την πυκνότητα, με αντοχή μικροδιαρροής περίπου 480 × 10⁶ N/m. Οι κατασκευές στήριξης πρέπει να αντέχουν το βάρος του συγκροτήματος καθρέφτη για μεγάλες περιόδους. Εάν το υλικό υφίσταται συνεχή, μη αναστρέψιμο πλαστικό ερπυσμό σε μικροσκοπικό επίπεδο, η εικόνα της επιφάνειας του καθρέφτη θα «παρασυρθεί» αργά. Για ένα τηλεσκόπιο σχεδιασμένο να λειτουργεί σταθερά για αρκετά χρόνια, μια τέτοια μετατόπιση είναι πολύ πιο επιζήμια από τη στιγμιαία παραμόρφωση. Τελικά, η αξία του κράματος τιτανίου έγκειται στην ικανότητά του να διατηρεί σταθερότητα διαστάσεων καθ' όλη τη διάρκεια ζωής του.
Θερμικές συνθήκες λειτουργίας: Η αντιστοίχιση CTE είναι απλώς το σημείο εκκίνησης
Η διατήρηση μιας ακριβούς επιφάνειας σε διάφορες θερμικές συνθήκες είναι η βασική πρόκληση στο σχεδιασμό στήριξης καθρέφτη. Το κράμα τιτανίου βαθμού 5 (GR5) έχει συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE) περίπου 9,1 × 10-6 K-1, πυκνότητα 4,4 g/cm3 και συντελεστή ελαστικότητας περίπου 109 GPa. Σε σύγκριση με τα σύνθετα υλικά Invar ή άνθρακα/καρβιδίου του πυριτίου, το CTE του GR5 δεν είναι ιδιαίτερα χαμηλό. Ωστόσο, η επιλογή υλικών μηχανικής δεν είναι ποτέ ένας διαγωνισμός που βασίζεται σε μία μόνο μέτρηση. Στην κεντρική σχεδίαση στήριξης για ένα γυάλινο{12}}πρωτεύοντα κάτοπτρο Φ500 mm, τόσο ο δακτύλιος όσο και το χιτώνιο στήριξης είναι κατασκευασμένα από κράμα τιτανίου, με ένα εύκαμπτο συγκολλητικό στρώμα που συνδέει το σώμα του καθρέφτη με τη δομή στήριξης. Οι προσομοιώσεις υποδεικνύουν ότι υπό ομοιόμορφη αλλαγή θερμοκρασίας 40 μοιρών, η ακρίβεια της εικόνας της επιφάνειας (RMS) παραμένει εντός 4,2 nm και η θεμελιώδης συχνότητα του συγκροτήματος υπερβαίνει τα 53 Hz. Το συγκολλητικό στρώμα παίζει κεντρικό ρόλο εδώ: ανακουφίζει από το βάρος του ίδιου του καθρέφτη, ενώ απορροφά τις θερμικές τάσεις που προκαλούνται από την ασυμφωνία CTE μεταξύ του κράματος τιτανίου και του γυαλιού{18}}κεραμικού. Η αξία του κράματος τιτανίου GR5 δεν έγκειται στο ότι έχει το "βέλτιστο" CTE, αλλά στο ότι επιτρέπει-μέσω της ορθολογικής σχεδίασης διεπαφής-τον έλεγχο της θερμικής τάσης εντός αποδεκτών ορίων, παρέχοντας ταυτόχρονα επαρκή δομική ακαμψία. Αυτό αντιπροσωπεύει μια προσέγγιση μηχανικής- επιπέδου συστημάτων παρά μια απλή υποκατάσταση υλικού.
Δύο διαμορφώσεις: Μεντεσέδες κάμψης και ενσωματωμένες δομές πλέγματος
Όσον αφορά τη συγκεκριμένη δομική σχεδίαση, τα κράματα τιτανίου χρησιμοποιούνται σε συστήματα στήριξης κατόπτρων σε περισσότερες από μία μορφές, με διαφορετικές δομικές διαμορφώσεις που αντικατοπτρίζουν διαφορετικές φιλοσοφίες σχεδιασμού. Μεντεσέδες κάμψης-που χρησιμοποιούν ευελιξία για να ξεπεραστεί η ακαμψία. Στο έργο τηλεσκοπίου μέτρησης ακριβείας 1,93-μέτρων με επικεφαλής το Ινστιτούτο Αστρονομικής Οπτικής & Τεχνολογίας του Ναντζίνγκ (NIAOT), Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, η ερευνητική ομάδα αντικατέστησε τα παραδοσιακά ρουλεμάν αυτοευθυγράμμισης με Ti-6Al-4V (GR5) διπλό διάμετρο{2. Αυτή η τροποποίηση μείωσε την αξονική παρασιτική δύναμη στο πρωτεύον κάτοπτρο από 60 N σε 2,5 N. Με το πλευρικό στήριγμα πλήρως λειτουργικό, το πρωτεύον κάτοπτρο πέτυχε ακρίβεια επιφανειακής εικόνας 4,15 nm RMS και 24 nm PV, ικανοποιώντας σταθερά την απαίτηση σχεδιασμού RMS Λιγότερο ή ίσο με λ/35 μοίρες σε εύρος θερμοκρασίας λ/35 σε ευρεία περιοχή από λ/35 μοίρες {0 μοίρες σε εύρος {0 βαθμού. Ο συνδυασμός υψηλής αντοχής διαρροής και σχετικά χαμηλού συντελεστή ελαστικότητας στα κράματα τιτανίου επιτρέπει στους μεντεσέδες κάμψης να επιτυγχάνουν ακριβή τοποθέτηση εντός του ελαστικού εύρους χωρίς τριβή ή οπισθοδρόμηση. Ενσωματωμένα πλέγματα-και{-δομές δέρματος-που ελαχιστοποιούν το βάρος μέσω του κοίλου σχεδιασμού. Πρόκειται για μια από τις πιο πρωτοποριακές προσεγγίσεις των τελευταίων ετών. Σε ένα έργο που περιλαμβάνει έναν μεγάλο-προβολικό διαστημικό καθρέφτη για έναν αισθητήρα αεροδιαστημικής απόστασης, το Ινστιτούτο 508 της Ακαδημίας Διαστημικής Τεχνολογίας της Κίνας (CAST) συνεργάστηκε με το Πανεπιστήμιο Jiao Tong της Σαγκάης. Χρησιμοποίησαν βελτιστοποίηση τοπολογίας για να καθορίσουν τη μακρο-διαμόρφωση, χρησιμοποιώντας ένα πλέγμα στο κέντρο του σώματος (BCC) για την εσωτερική δομή και ένα εξωτερικό περίβλημα για το περίβλημα. Η προκύπτουσα δομή στήριξης ζύγιζε μόνο 6,5 κιλά, διατηρώντας τη συνολική μάζα του συγκροτήματος καθρέφτη κάτω από 16,5 κιλά. Τα αποτελέσματα της δοκιμής έδειξαν περιστροφή κατόπτρου μικρότερη από 6 δευτερόλεπτα του τόξου και μετατόπιση άκαμπτου σώματος μικρότερη από 0,02 mm - και τα δύο εντός των ανοχών για σφάλματα οπτικής ευθυγράμμισης.
Περίληψη
Από μικρο-αντοχή διαρροής και μεντεσέδες κάμψης έως τρισδιάστατες-εκτυπωμένες δομές δικτυωτού πλέγματος, η αξία των κραμάτων τιτανίου σε συστήματα στήριξης κατόπτρων μεγάλου-διαφράγματος εκτείνεται πολύ πέρα από την απλή υποκατάσταση υλικού. Αυτό που πραγματικά επιτρέπουν είναι η μηχανική σκοπιμότητα για την επίτευξη ακρίβειας της επιφάνειας σε επίπεδο νανομέτρων-υπό συνθήκες που περιλαμβάνουν μεγάλα εύρη θερμοκρασιών και μακροπρόθεσμη-λειτουργία. Για τη βιομηχανία τιτανίου, η επιτυχία σε αυτόν τον τομέα δεν εξαρτάται από την παραγωγική ικανότητα, αλλά από την ικανότητα μετατροπής των ιδιοτήτων του υλικού σε λύσεις δομικού σχεδιασμού.
E-ταχυδρομείο:garychen3215@hotmail.com
Διεύθυνση: No.35, Baoti Rd, Baoji city, Shaanxi Province, Κίνα
Επικοινωνία: κ. Gary Chen
Τηλέφωνο: +86-917-8883215
Κινητό/WhatsApp: +86 13092900605
