O nouă generație de telescoape extrem de ușoare pe bază de Pământ, spațiu sau Lună ar putea fi posibilă cu o tehnologie cu oglindă compozită dezvoltată în cooperare de NASA și industria privată. Tehnica de replicare optică a produs oglinzi cu foi subțiri de 0,6 m-diametru care cântăresc mai puțin de un kg, oglinzi armate cu miez de 0,9 m cântărind 4 kg și o serie de reflectoare de 1,5 și # 165 de 2,5 m care se apropie de 23 kg. Oglinzile din sticlă cu aceleași suprafețe, cu un raport tradițional diametru-grosime 6: 1, cântăresc

laser

Oglinzile telescopice pierd cu greutate cu succes

Oglinzile de replicare cu compozite întărite cu fibră de grafit le mențin subțiri.

O nouă generație de telescoape extrem de ușoare pe bază de Pământ, spațiu sau Lună ar putea fi posibilă cu o tehnologie cu oglindă compozită dezvoltată în cooperare de NASA și industria privată. Tehnica de replicare optică a produs oglinzi cu foi subțiri de 0,6 m-diametru care cântăresc mai puțin de un kg, oglinzi armate cu miez de 0,9 m cântărind 4 kg și o serie de reflectoare de 1,5 ¥ 2,5 m care se apropie de 23 kg. Oglinzi de sticlă cu aceleași suprafețe, cu un raport tradițional diametru-grosime 6: 1, cântăresc 60, 200 și, respectiv, 2700 kg.

Unitatea de reducere a greutății oglinzii telescopului este direct legată de faptul că greutatea opticii determină tipul și greutatea structurii de susținere, mecanismul de acționare și - în cele din urmă - sarcina utilă totală. Oglinzile de replică compozite sunt, de departe, cele mai ușoare dintre noile tehnologii prezentate la conferința recentă NASA Next Generation Space Telescope Technology Challenge, care a avut loc la Oxnard, CA (vezi Fig. 1). Aplicațiile potențiale pentru noua tehnologie includ telescoape portabile de clasă metru pentru lidar, teledetecție, supraveghere și astronomie amatorică, precum și tablouri mari de oglinzi pentru colectarea luminii, concentratoare solare spațiale, simulatoare de antrenament de zbor, spectacole de magie și fizică de mare energie . De asemenea, este posibilă o abordare radical nouă a construirii următoarei generații de telescoape foarte mari (10 m plus) pe sol și în spațiu, cu economii enorme în timp și costuri de fabricație comparativ cu tehnicile tradiționale.

Reflectoarele compozite din fibră de grafit sunt deja preț standard în antenele radio și sistemele de comunicații spațiale. Oglinzile de replică compozite - construite atât cu materialele epoxidice de grafit familiare, cât și cu compozite mai noi de grafit-cianat-ester-rășină - diferă prin faptul că combină greutatea extremă a luminii cu o netezime superbă a suprafeței, lucru care eludase eforturile de dezvoltare anterioare ale marilor agenții spațiale. Oglinzile compozite ușoare, de exemplu, au fost verificate cu o suprafață redusă de 0,7 nm rms - mai netede decât oglinda primară a telescopului spațial Hubble la 2,5 nm rms.

Fabricarea tradițională a oglinzilor - măcinarea unui semifabricat de sticlă pentru modelare și acoperirea acestuia cu o peliculă reflectorizantă pentru suprafață - realizează o greutate redusă prin includerea unor materiale speciale cu greutate redusă, făcând substratul mai subțire și eventual tăind găuri în spate. Procesul este limitat de grosimea minimă necesară pentru măcinare și de necesitatea de a evita imprimarea suportului. Chiar și atunci când se utilizează beriliu - cel mai ușor material -, densitatea suprafeței (masă/suprafață unitară) este de 15-25 kg/m2. Densitatea suprafeței oglinzii primare a telescopului spațial Hubble de 2,4 m, care folosește o foaie de sticlă și o construcție de lăzi de ou, este de aproximativ 180 kg/m2.

Replicarea optică atinge o densitate areală de până la 2 kg/m2 la un diametru de 0,6 m - cea mai mică dintre tehnologiile ușoare actuale. Densitatea este, de exemplu, de la o treime până la o zecime din densitatea ariei de oglinzi din siliciu-carbură, fibră de carbon/siliciu-carbură și subțire. Cifra este cu mult sub obiectivul de 15 kg/m2 al telescopului spațial de nouă generație în curs de studiu sau obiectivul de 12 kg/m2 pe care proiectul încearcă să îl atingă cu beriliu.

Primul pas în procesul de replicare optică este măcinarea și lustruirea unei mandrine de sticlă la inversa formei dorite (vezi Fig. 2). Pentru o oglindă concavă este necesară o mandrină convexă și invers. Cercetătorii aplică apoi straturi succesive (sau straturi) de materiale preimpregnate (preimpregnate) din grafit-fibră-compozit la unghiuri diferite pe dorn. Laminatul rezultat este apoi întărit sub căldură și presiune, eliberat din dorn și acoperit cu vid cu un strat reflectorizant, cum ar fi fluorură de aluminiu magneziu (Al/MgF2) sau carbură de siliciu (SiC2). Învelișul este doar atât de gros cât este necesar pentru a menține figura, iar suporturile de bază pot fi adăugate pentru a spori rigiditatea.

Această secvență este aproape aceeași cu metoda convențională de fabricare a laminatelor compozite, cu o diferență majoră. Tehnicile tradiționale de așezare nu pot produce suprafețe optice netede, deoarece fibrele de grafit necesare pentru rigiditate și rezistență conferă o textură aspră suprafeței care împrăștie lumina și provoacă erori în figura optică. Aplicațiile oglinzilor compozite (Tucson, AZ), dezvoltator cod al noii tehnici de fabricație, au conceput o strategie de succes pentru a depăși tipărirea fibrelor de grafit. În timpul procesului de întindere, cercetătorii introduc un strat foarte subțire de rășină pură între materialul preimpregnat și dorn. Rășina este întărită împreună cu laminatul și devine suprafața optică, eliminând textura fibrei de suprafață (vezi Fig. 3).

Grosimea stratului superior de rășină este parametrul critic. Dacă stratul este prea subțire, fibrele se imprimă. Dacă este prea groasă, rășina își asumă o proprietate în vrac și tinde să se dezlipească sau să se crape. Studii extinse au constatat că grosimea optimă a rășinii a fost între 30 și 50 µm și a indicat stabilitatea sub vid și la temperaturi criogenice. Oglinzile compozite la grosimea optimă a rășinii au fost testate în vid și până la temperaturi de azot lichid (77 K sau -196 ° C) fără microfisurare sau delaminare.

Procesul flexibil poate produce atât oglinzi cu foaie subțire, cât și oglinzi armate cu miez de fagure, precum și fabricarea atât a oglinzilor, cât și a structurilor de susținere din același material compozit. În plus, frezarea cu ioni nu are efecte adverse asupra netezimii suprafeței. Există control activ al cifrelor, cu o precizie a figurii la fel de fabricată, de până la 1/5 rms val (632,8 nm). Ridicarea frecvenței medii este mai mică de 1/30 val RMN (632,8 nm).

Replicarea compozit oferă, de asemenea, o uniformitate ridicată a produsului. După cum se poate aștepta, oglinzile de replică realizate din aceeași mandrină prezintă o dispersie mult mai mică decât în ​​cazul în care fiecare oglindă ar fi lucrată individual. Acest lucru poate duce la unele aplicații foarte interesante, cum ar fi telescoapele extrem de mari cu oglinzi primare compuse din sute de segmente identice.

La fel de importante sunt costurile mici de fabricație. Replicarea optică funcționează cu cuptoarele de curățare compozite standard și camerele de acoperire sub vid, iar rășinile de grafit epoxid și ester de cianat de grafit sunt produse industriale standard disponibile pe scară largă. În plus, fabricarea necesită doar o cantitate mică de materiale compozite.

Producția este rapidă odată ce o mandrină de sticlă este la îndemână. De exemplu, durează aproximativ trei săptămâni pentru a întinde și a vindeca o oglindă de 0,9 m (specificațiile sunt deschideri unice până la 0,9 m, matrice de oglinzi coordonate la 1,5 ¥ 2,5 m).

Spre figuri perfecte

O optică este limitată prin difracție dacă figura sa nu se îndepărtează de o suprafață perfectă cu mai mult de un sfert din

lungimea de undă a luminii măsurată vârf-la-vale - sau aproximativ 1/19 val de rms. Tehnologia oglinzii compozite se apropie rapid de acest obiectiv, dar mai întâi trebuie rezolvate două probleme.

1. Costuri ridicate de scule. În prezent, cheltuiala majoră este mandrina, care este adesea necesară să fie convexă. Așa cum va atesta orice optician, este mai dificil să lustruiți și să testați forme convexe decât cele concave, astfel încât o bucată de sticlă convexă costă de obicei de zece ori cea a unei bucăți de sticlă concavă de aceeași formă. Prin urmare, costurile sculelor sunt ridicate pentru fabricarea opticii mari în unități de unul. Pe de altă parte, multe replici pot fi realizate dintr-o mandrină, permițând amortizarea costului pe durata sa de viață utilă.

2. Erori de figură inerente. Oglinzile de precizie realizate cu laminate compozite au toate erori de figură inevitabile, în special astigmatism. Acest lucru se întâmplă deoarece unghiurile dintre straturi nu pot fi niciodată exacte, iar fibrele din straturi individuale au toleranțe de fabricație care pot limita cât de bine se aliniază. Modelarea computerizată arată că această abatere de la alinierea perfectă a straturilor și fibrelor promovează o ușoară deformare a laminatului care, deși este neglijabilă de standardele mecanice, este semnificativă (mai multe unde) în ceea ce privește abaterea de la perfecțiunea optică.

Cercetătorii raportează că au făcut progrese aproape zilnice în rezolvarea ambelor probleme. Pentru a aborda costurile sculelor, aceștia pun în funcțiune lustruirea mandrinelor de sticlă în mod convențional. O altă opțiune este replicarea dublă, care funcționează dintr-o optică concavă de figură cunoscută și epoxi turnate pentru a genera parabole de curbură și dimensiune arbitrare.

Pentru a limita erorile de figură inerente, abordarea este de a regla fin procesul de replicare. Aceasta implică schimbarea parametrilor, cum ar fi materialul preimpregnat, grosimea stratului, dimensiunea fibrelor, densitatea fibrelor, conținutul de rășină, schemele de întindere, temperatura de întărire, timpul de întărire și ciclul de post-întărire. Orice erori de cifre reziduale sunt apoi corectate prin controlul activ al cifrelor. Echipamentul necesar nu va fi neapărat costisitor sau complex. o

1. P. C. Chen și colab., Opt. Eng. 37 (2), 666 (1998).

2. P. C. Chen și R. Romeo, "Fabricarea și testarea oglinzilor compozite foarte ușoare", Telescoape și instrumente spațiale V, Proc. SPIE 3356, P.-Y. Bely și J. B. Breckinridge, eds., Paper # 3356-128 (1998).

Faceți clic aici pentru a mări imaginea

FIGURA 1. O oglindă cu diametrul de 24 inchi, realizată din compozit de grafit cu o grosime de aproximativ 0,75 kg, este ușor deținută de un copil. O oglindă de sticlă de aceeași dimensiune și cu un raport de aspect normal 6: 1 ar cântări aproximativ 52 kg.

Faceți clic aici pentru a mări imaginea

FIGURA 2. Mandrină de sticlă lustruită la

forma complementară a oglinzii dorite (a) este acoperită cu straturi succesive de material compozit din fibre de grafit preimpregnat pentru a forma un laminat (b), care, atunci când este întărit într-un cuptor,

se întărește într-o coajă și este eliberat din

mandrina (c); carcasa este inversată și acoperită cu vid cu un film metalic reflectorizant (d).

Faceți clic aici pentru a mări imaginea

FIGURA 3. Pentru a depăși imprimarea fibrelor de grafit, se introduce un strat foarte subțire de rășină între materialul preimpregnat și dorn; după întărire, stratul de rășină devine suprafața optică.