Разработка и исследование технологического процесса изготовления оптических зеркал из бериллия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук в форме науч. докл. Любарский, Сергей Владимирович

Оглавление диссертации кандидат технических наук в форме науч. докл. Любарский, Сергей Владимирович

1. Анализ и выбор конструкционных материалов для

изготовления облегченных зеркал

2. Исследование бериллия - нового материала оптического приборостроения

3. Разработка конструкций облегченных зеркал из бериллия.

Способы крепления зеркал

4. Разработка концепции технологии изготовления облегченных оптических зеркал из бериллия ТШП

5. Разработка и исследование технологических процессов механической обработки корпусов зеркал из

6. Разработка и исследование технологического процесса

оптической обработки бериллия ТШП

7. Разработка и исследование технологического процесса нанесения конструкционного стеклянного покрытия

на бериллий ТШП

8. Разработка и исследование технологических процессов размерной стабилизации облегченных остеклованных

зеркал из бериллия ТШП

9. Оптическое формообразование. Нанесение оптических

. покрытий. Испытания. Гигиена бериллия

10. Отработка и внедрение технологии изготовления

облегченных остеклованных бериллиевых зеркал

Основные результаты работы

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Технология приборостроения», 05.11.14 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование технологического процесса изготовления оптических зеркал из бериллия»

В истории развития оптических систем можно отчетливо выделить две тенденции: конкуренцию линзовых (рефракторных) и зеркальных (рефлекторных) систем и конкуренцию стекла и металла в качестве материалов для изготовления зеркал.

Со времени создания Галилеем в 1609 г. первой оптической системы - линзового телескопа начали предприниматься попытки преодоления недостатков рефракторной оптики, основными из которых являются хроматические и сферические аберрации.

В результате до середины XVIII века развитие линзовых телескопов шло по пути создания длиннофокусных (30-40 м и более) телескопов сравнительно небольшого диаметра (4-20 см), для которых обе аберрации становятся малыми.

Альтернативная идея создания телескопов с использованием зеркал была высказана еще при жизни Галилея, однако более совершенные оптические схемы были предложены позже - Д.Грегори (1663 г.) и Кассегреном (1672 г.), причем схема Кассегрена и схема Ричи-Кретьена получили наиболее широкое распространение. Первые удачные модели оптических зеркальных систем с зеркалами из металлических материалов были созданы Ньютоном в 1668-1671 гг. Главным преимуществом рефлекторов являются отсутствие хроматических аберраций и принципиальная возможность устранения сферических аберраций, благодаря чему некоторое время астрономы отдают предпочтение зеркальным телескопам, с их более четкими и яркими изображениями.

качестве материала зеркал использовался зеркальный сплав на основе меди, что в то время давало единственную возможность получать оптические поверхности с достаточно высоким коэффициентом отражения. К наивысшим достижениям того времени относятся телескоп Гершеля с бронзовым зеркалом диаметром 1220 мм (1773 г.) и телескоп У.Парсонса (лорда Росса) с бронзовым зеркалом диаметром 1820 мм (1845 г.).

Между тем появление методов расчета ахроматических линзовых систем (1758 г), совершенствование технологии варки крупногабаритных заготовок оптического стекла привели к быстрому прогрессу рефракторных систем. В течение следующих 140 лет диаметр линзовых телескопов непрерывно увеличивался. В 1898 г. в Йеркской обсерватории близ Чикаго вступил в строй самый большой в мире (диаметр 1020 мм) линзовый телескоп. При этом, по существу, был достигнут предел размеров линзовых приборов вследствие огромных трудностей получения однородных заготовок стекла для линз такого размера, больших деформаций линз под действием собственного веса и сильного уменьшения яркости изображения из-за большой толщины линз. В последние 100 лет не предпринимаются попытки превзойти это достижение.

Позиции зеркальных систем по сравнению с линзовыми сильно укрепились, когда в середине XIX века французским физиком Фуко и независимо от него немецким физиком Штейнгелем был изобретен метод нанесения на стекло серебряного отражающего слоя, а затем в 1930 г. появился метод нанесения алюминиевых отражающих покрытий. Возможность замены металлических зеркал на более высококачественные стеклянные с почти вдвое большим отражением быстро обеспечила зеркальным системам ведущее положение в астрономических исследованиях.

Историческая конкуренция рефракторных и рефлекторных систем завершилась убедительной победой последних в тех случаях, когда необходимо обеспечить возможность существенного увеличения диаметра объектива, а следовательно, чувствительности и разрешающей способности телескопа [1].

Предположение, что в перспективе будут создаваться все более крупные рефлекторы подтвердилось всем дальнейшим развитием наземного и космического теле-скопостроения:

• 1949 г. - в обсерватории Маунт-Паломар в США был введен в строй рефлектор с пятиметровым облегченным (ячеистым) монолитным стеклянным главным зеркалом;

• 1976 г. - в СССР на Кавказе около станицы Зеленчукской в Специальной астрофизической обсерватории (CAO) АН СССР начинает эксплуатироваться большой азимутальный телескоп (БТА) с шестиметровым монолитным стеклянным главным зеркалом;

• 1990 г. - на орбиту земли выведен космический телескоп "Хаббл" (Hubble Space Telescope) с главным облегченным монолитным зеркалом диаметром 2,4 метра. Главное зеркало телескопа "Хаббл" состоит из двух пластин (передняя и задняя поверхности зеркала) толщиной около 25 мм, находящихся друг от друга на расстоянии 250 мм и соединенных методом спекания между собой сотовой конструкцией из ребер толщиной около 10 мм. В качестве материала для пластин и ребер использован легированный кварц ULE (ultralow expansion) со сверхмалым коэффициентом линейного расширения;

• 1994 г. - начал работать десятиметровый телескоп В.М.Кека, который установлен на горе Мауна Кеа (Гавайи, США). Главное зеркало телескопа состоит из 36 гексагональных сегментов. Каждый сегмент имеет внеосевую асферическую оптическую поверхность, изготовлен из церодура ("Zerodur") и имеет размеры монолитного шестригранника, вписанного в окружность диаметром 1800 мм.

Приведенные примеры демонстрируют тенденцию развития рефлекторных оптических систем, что в ближайшие десятилетия будет подтверждаться введением в экс-

плуатацию наземных зеркальных крупногабаритных телескопов и космических зеркальных систем, находящихся сейчас на различных стадиях разработки и изготовления, для астрономических, астрофизических, астрометрических и т.п. наблюдений и исследований [2].

Убедительная победа зеркальных систем не привела к разрешению исторического спора между стеклянными и металлическими материалами, при изготовлении оптических зеркал, несмотря на то, что используемые для изготовления зеркал стекло и стеклообразные материалы, которые с полным основанием могут быть названы традиционными оптическими материалами (ТОМ), встретили серьезную конкуренцию со стороны металлов и других, нетрадиционных для оптики материалов.

После эпохи бронзовых зеркал, которая в основном закончилась в начале второй половины XIX века, в 30-х годах нашего века, выдающийся ученый-оптик Д.Д.Максутов возвращается к идее использования металлических зеркал в астрономических приборах. Он обращает внимание разработчиков оптических систем на преимущество использования металлов с точки зрения их физико-механических и тепло-физических свойств и создает опытные образцы зеркал (размером до 500 мм) из сплавов железа, меди и алюминия [3].

Новейший этап истории развития оптических зеркал, начало которого, видимо, следует отнести в США к 60-м годам, а в СССР к 70-м, связан с развитием космических оптических систем различного назначения, разработкой и созданием лазерной техники, а также с развитием крупногабаритного наземного телескопостроения.

В этот период в СССР возникла необходимость замены целого ряда существующих на тот момент космических зеркальных оптических систем на оптические системы нового поколения, с более совершенными параметрами и более широкими функциональными возможностями, работающими в более широком диапазоне длин волн - от рентгеновского и ультрафиолетового до инфракрасного и субмиллиметрового. При этом стремились осуществлять запуск в космос вновь создаваемых оптических систем на ракетах-носителях используемых ранее.

В этой связи к оптическим зеркалам была предъявлена совокупность новых, зачастую экстремальных требований по условиям эксплуатации и характеристикам, в том числе по габаритам, точности формы оптической поверхности, оптико-физическим параметрам (отражение, рассеяние и т.п.), динамическим нагрузкам, рабочим температурным полям (от мощного теплового воздействия до криогенных температур). Особо следует отметить очень жесткие требования по минимизации массы зеркал, которая в конечном счете определяет массу всей оптической аппаратуры.

Удовлетворение вышеизложенных требований в рамках традиционного опыта

создания зеркал из стекла и стеклообразных материалов оказалось практически невозможным и привело к необходимости разработки новых подходов к созданию оптических зеркал и новых технологий их создания.

Настоящая диссертационная работа направлена на решение задачи создания облегченных оптических зеркал для информационных космических систем - и в этом состоит ее актуальность.

Работа посвящена исследованию и разработке технологии изготовления космических облегченных оптических зеркал с вогнутой и выпуклой асферической и плоской формами оптической поверхности диаметром до 1000 мм, массой зеркал в пределах

40-50 кг на 1 м оптической поверхности, максимальным коэффициентом зеркального отражения и минимальным рассеянием для рабочих длин волн на оптических поверхностях.

Точности формы оптической поверхности зеркал должна обеспечивать создание космических систем дифракционного качества для работы в видимой и ИК областях спектра.

Среднеквадратичное отклонение формы оптической поверхности <тск0 от расчетной не должно превышать , где Я,р - рабочая длина волны.

Облегченные зеркала оптических космических систем должны сохранять точность формы оптической поверхности (обладать размерной стабильностью) как на всех этапах изготовления, так и при эксплуатации в составе аппаратуры.

Из изложенного логически вытекает цель диссертационной работы, которая состоит

• в анализе конструкционных материалов для изготовления оптических зеркал, обоснованном выборе, исследовании и практическом использовании бериллия в качестве конструкционного материала облегченных оптических зеркал;

• в разработке концепции создания (изготовления) облегченных оптических зеркал из бериллия - последовательности основных технологических операций;

• в разработке и исследовании целого ряда технологий для возможности осуществления отдельных операций изготовления зеркал (технология изготовления корпусов зеркал, технология нанесения конструкционного стеклянного покрытия, совокупность технологий обеспечивающих размерную стабильность зеркал и т.п.);

• во внедрении результатов исследований и разработок в производство облегченных бериллиевых зеркал, их испытании и аттестации.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые в СССР был разработан,

исследован и внедрен в производство технологический процесс изготовления облегченных оптических зеркал из бериллия диаметром до 1000 мм.

Впервые в мировой практике разработан и исследован ряд новых технологий, необходимых для осуществления отдельных этапов создания облегченных космических зеркал из бериллия.

Впервые в мировой практике выявлены взаимосвязь и взаимное влияние механических, термических, химических, оптических и других используемых технологий при интеграции их в единый технологический процесс создания оптических зеркал из бериллия.

Практическая ценность работы состоит в том, что по разработанному и внедренному в производство технологическому процессу изготовления облегченных оптических зеркал была изготовлена целая гамма космических оптических зеркал для систем и комплексов различного назначения, часть из которых эксплуатируется до настоящего времени [4,5].

Научные результаты интеграции отдельных технологий в технологический процесс создания оптических зеркал из бериллия легли в основу создания технологий изготовления оптических зеркал из других нетрадиционных для оптики материалов (алюминиевых и медных сплавов, кремния, карбида кремния и т.п.).

Это позволило создать зеркала, которые работают в экстремальных условиях и в разнообразных оптических и лазерных приборах и системах [2].

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Технологический процесс изготовления оптических зеркал из бериллия со стеклянным конструкционным покрытием. Концепция. Последовательность технологических операций. Их необходимость и достаточность.

2. Методика выбора материалов для создания оптических зеркал.

3. Разработка и исследование новых технологий для процесса изготовления зеркал из бериллия:

3.1. Технология механической обработки корпусов зеркал из бериллия.

3.2. Технология нанесения конструкционного стеклянного покрытия на бериллий.

3.3. Технология размерной стабилизации остеклованных бериллиевых зеркал.

4. Результаты внедрения технологии изготовления оптических зеркал из бериллия.

1. Анализ и выбор конструкционных материалов для изготовления облегченных зеркал.

Важнейшим требованием к зеркалам космических информационных систем является обеспечение минимальной массы при заданных функциональных характеристиках - размерах, точности формы оптической поверхности и оптико-физических характеристиках.

Наряду с этими требованиями при разработке возможных путей создания космических зеркал необходимо принимать во внимание следующие определяющие обстоятельства. В отличие от зеркал наземных приборов, условия эксплуатации космических зеркал (невесомость) и изготовления (действие силы тяжести) принципиально отличаются. Кроме того, принципиально различают требования к соединению зеркала с несущими конструкциями прибора. Наземные зеркала, как правило, лишь касаются несущей конструкции в зонах, расположенных на тыльной и боковой поверхностях, нагружая ее составляющими собственного веса. Очевидно, что такая идеология крепления непригодна в случае космических зеркал, испытывающих значительные инерционные, вибрационные и ударные нагрузки в период вывода на орбиту.

Анализ опыта создания зеркал из традиционных оптических материалов, при учете изложенных выше обстоятельств, приводит к выводу, что рассчитывать на успех решения поставленных задач можно только в рамках концепции космического зеркала как "жесткого" зеркала, т.е. способного сохранять форму оптической поверхности в пределах заданных допусков во всех условиях изготовления и эксплуатации.

Суммируя вышеизложенное, можно сформулировать следующие основные требования к материалам для космических облегченных оптических зеркал:

• минимальная плотность р;

• максимальный модуль упругости Е;

• минимальный температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) а;

• максимальная теплопроводность X;

• изотропность физико-механических и теплофизических свойств;

• высокая размерная (конфигурационная) стабильность во времени;

• наличие заготовок диаметром до 1200 мм;

• технологические свойства, позволяющие изготавливать зеркала с минимальными затратами.

Возможность практической реализации этой концепции потребовала поиска но-

вых материалов, с принципиально иными (по сравнению с традиционными оптическими материалами) весо-жесткостными характеристиками.

В табл. 1 приведены физико-механические и теплофизические параметры традиционных и нетрадиционных материалов.

Наименьшей плотностью (р) и максимальным модулем упругости (Е) обладает бериллий, у которого рекордное значение удельной жесткости (Е/р). По удельной жесткости бериллий превосходит ТОМ в 5 раз, а другие легкие металлы - в 6 и более раз. Последнее означает, что при одинаковых геометрических размерах и конфигурации деформация формы оптической поверхности зеркал из бериллия будет в такое же число раз меньше, по сравнению с зеркалами из других материалов.

С другой стороны, при одинаковой деформации формы оптической поверхности зеркал под действием силы тяжести (одинаковой жесткости) зеркала из традиционных оптических материалов и других металлов будут тяжелее бериллиевых в два и более раз (табл.1).

При оценках возможной экономии массы аппаратуры в целом следует учитывать, что снижение массы зеркал влечет за собой снижение массы несущих конструкций. Кроме того, при использовании бериллия для изготовления зеркал может быть исключена проблема согласования температурного коэффициента линейного расширения материала зеркала и несущих конструкций, требующая введения термокомпенсаторов.

Важное значение при анализе и выборе материала для оптических зеркал имеют его теплофизические свойства, которые в конечном счете определяют термическую стабильность формы оптической поверхности при неоднородных и нестационарных окружающих тепловых полях.

Для сравнительных количественных оценок с этой точки зрения обычно используют соотношение термического коэффициента линейного расширения (а) и теплопроводности (А,), т.е. а/Я., минимальное значение которого означает минимальную величину и "время жизни" термических деформаций (табл.1).

В случае ТОМ этот параметр пытались улучшить за счет разработки материалов с предельно малым TKJ1P (плавленый кварц (S1O2), ситалл, ULE).

Металлы, с присущими им высокими значениями теплопроводности, позволяют реализовать альтернативный подход к этой проблеме. Как видно из табл.1, по параме-ру а/Х, характеризующему деформации при медленно меняющихся тепловых условиях, бериллий уступает только легированному плавленому кварцу (ULE). Однако за счет более высокой температуропроводности время жизни подобных переходных процессов в бериллии в 50 раз меньше.