Materiaalivalikoima suuriin-aukkopeilien tukirakenteisiin on siirtymässä Invarista ja C-SiC:stä kohtititaaniseokset. Äärimmäisen alhaisten muodonmuutosominaisuuksiensa ansiosta titaaniseokset ovat tulossa näiden rakenteiden materiaaliksi.
Miksi titaaniseos? Unohtunut avainmittari
Kun tähtitieteellisten teleskooppien aukot kasvavat yhä suuremmiksi, pintakuvioiden tarkkuuden vaatimukset lyövät fyysisiä rajoja vastaan. Avaruuteen perustuvan gravitaatioaaltoteleskoopin primääripeilille vaadittu pinnan tarkkuus on RMS Pienempi tai yhtä suuri kuin λ/50-, mikä tarkoittaa, että pintapoikkeamat on säädettävä hieman yli kymmenen nanometrin alueella. Tässä mittakaavassa pieninkin tukirakenteen mittapoikkeama suurentuu kuvan vääristymäksi. Tällaisten rakenteiden materiaaleja valittaessa perinteinen käytäntö keskittyy tiheyteen, Youngin moduuliin ja lämpölaajenemiskertoimeen. Tässä nimenomaisessa yhteydessä on kuitenkin tärkeämpi mittari: mikro-tuottovoima. Vaikka standardi myötöraja kuvaa jännitystä, jossa materiaali joutuu läpi merkittävän plastisen muodonmuutoksen, mikro-myötölujuus mittaa jännityksen, jonka materiaali voi kestää, vaikka siihen kohdistuu vain jäännösjännitys, joka on suuruusluokkaa yksi miljoonasosa. NASAn Goddard Space Flight Centerin Battelle Memorial Instituten suorittama materiaalien seulonta paljasti, että monien ehdokkaiden joukossa Grade 5 (GR5) titaaniseos tarjoaa korkeimman mikro-myötölujuuden ja tiheyden suhteen, ja sen mikrotuottolujuus on noin 480 N × 10⁁ m². Tukirakenteiden on kestettävä peilikokoonpanon paino pitkiä aikoja; jos materiaali käy läpi jatkuvaa, peruuttamatonta muovivirumista mikroskooppisella tasolla, peilin pintakuvio hitaasti "liikuutuu". Teleskoopille, joka on suunniteltu toimimaan vakaasti useiden vuosien ajan, tällainen ajautuminen on paljon haitallisempaa kuin hetkellinen muodonmuutos. Viime kädessä titaaniseoksen arvo piilee sen kyvyssä ylläpitää mittavakautta koko käyttöiän ajan.
Lämpökäyttöolosuhteet: CTE Matching on vain lähtökohta
Tarkan pintakuvion ylläpitäminen vaihtelevissa lämpöolosuhteissa on peilituen suunnittelun ydinhaaste. Grade 5 (GR5) titaaniseoksen lämpölaajenemiskerroin (CTE) on noin 9,1 × 10-⁻6 K-1, tiheys 4,4 g/cm3 ja kimmokerroin noin 109 GPa. Invar- tai hiili/piikarbidikomposiitteihin verrattuna GR5:n CTE ei ole erityisen alhainen. Suunnittelumateriaalin valinta ei kuitenkaan koskaan ole yhteen mittariin perustuvaa kilpailua. Φ500 mm:n lasikeraamisen -peilin keskeisessä tukirakenteessa sekä holkki että tukiholkki on valmistettu titaaniseoksesta, ja joustava liimakerros yhdistää peilin rungon tukirakenteeseen. Simulaatiot osoittavat, että tasaisessa 40 asteen lämpötilan muutoksessa pintalukutarkkuus (RMS) pysyy 4,2 nm:n sisällä ja kokoonpanon perustaajuus ylittää 53 Hz. Liimakerroksella on tässä keskeinen rooli: se keventää peilin omaa painoa ja vaimentaa lämpörasituksia, jotka aiheutuvat titaaniseoksen ja lasikeraamin välisestä CTE-epäsovituksesta. GR5-titaaniseoksen arvo ei piile "optimaalisen" CTE:n olemassaolossa, vaan siinä, että se mahdollistaa -rationaalisen rajapinnan suunnittelun-lämpöjännityksen hallinnan hyväksyttävissä rajoissa ja samalla riittävän rakenteellisen jäykkyyden. Tämä edustaa järjestelmätason{24}lähestymistapaa yksinkertaisen materiaalin korvaamisen sijaan.
Kaksi kokoonpanoa: taipuiset saranat ja integroidut ristikkorakenteet
Mitä tulee erityiseen rakennesuunnitteluun, titaaniseoksia käytetään peilien tukijärjestelmissä useammassa kuin yhdessä muodossa, ja erilaiset rakennekonfiguraatiot heijastavat erilaisia suunnittelufilosofioita. Taivutettavat saranat-joustavuuden avulla jäykkyyden voittamiseksi. Kiinan tiedeakatemian Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology (NIAOT) johtamassa 1,93-metrin tarkkuuden mittausteleskooppiprojektissa tutkimusryhmä korvasi perinteiset itse-itsesuuntautuvat kuulalaakerit Ti-6Al-4V (GR5)}-kaksoiskalvolla{{2.mrag2}. Tämä modifikaatio pienensi ensisijaiseen peiliin kohdistuvaa aksiaalista loisvoimaa 60 N:sta 2,5 N:iin. Kun sivutuki oli täysin toiminnassa, primääripeili saavutti pintakuvion tarkkuuden 4,15 nm RMS ja 24 nm PV, mikä täytti jatkuvasti suunnitteluvaatimuksen RMS Alle tai yhtä suuri kuin λ/35 astetta {{02 - 5 astetta} 3 astetta laajalla lämpötila-alueella. Titaaniseosten korkean myötörajan ja suhteellisen alhaisen kimmomoduulin yhdistelmä mahdollistaa taivutussaranoiden tarkan asemoinnin elastisella alueella aiheuttamatta kitkaa tai välystä. Integroidut ristikko-ja-kalvorakenteet-minimoivat painon onton muotoilun ansiosta. Tämä on yksi uraauurtavimmista lähestymistavoista viime vuosina. Kiinan avaruusteknologian akatemian instituutti 508 (CAST) teki yhteistyötä Shanghai Jiao Tong -yliopiston kanssa projektissa, joka käsitti suuren-ulokepeilin ilmailu- ja avaruusanturille. He käyttivät topologian optimointia makrokonfiguraation määrittämiseen käyttämällä Body-Centered Cubic (BCC) -hilaa sisäiseen rakenteeseen ja ulkokuorta kotelointia varten. Tuloksena saatu tukirakenne painoi vain 6,5 kg, pitäen peilikokoonpanon kokonaismassan alle 16,5 kg:n. Testitulokset osoittivat, että peilin pyörimisnopeus oli alle 6 kaarisekuntia ja jäykän rungon siirtymä alle 0,02 mm - molemmat hyvin optisten kohdistusvirheiden toleranssien sisällä.
Yhteenveto
Mikro-myötölujuudesta ja taivutussaranoista 3D-painettuihin ristikkorakenteisiin, titaaniseosten arvo suurissa-aukon peilin tukijärjestelmissä ulottuu paljon pidemmälle kuin pelkkä materiaalin korvaaminen. Ne todella mahdollistavat teknisen toteutettavuuden nanometritason{5}}pinnan tarkkuuden saavuttamiseksi olosuhteissa, joihin liittyy laaja lämpötila-alue ja pitkäaikainen käyttö. Titaaniteollisuuden menestys tällä areenalla ei riipu tuotantokapasiteetista, vaan kyvystä muuttaa materiaalien ominaisuudet rakennesuunnitteluratkaisuiksi.
Sähköposti-:garychen3215@hotmail.com
Osoite: No.35, Baoti Rd, Baojin kaupunki, Shaanxin maakunta, Kiina
Yhteystiedot: herra Gary Chen
Puhelin: +86-917-8883215
Mobiili/WhatsApp: +86 13092900605
