В России разработаны прецизионные панели для обсерватории «Миллиметрон»
Напомним, что Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН является головной организации в проекте космической обсерватории «Миллиметрон». Виктор Пышнов, старший научный сотрудник Отдела космических конструкций, рассказал о подробностях данного решения.
Так, согласно информации на сайте ФИАН, от точности технологического исполнения отражающей поверхности рефлекторов и от деформаций рабочих поверхностей рефлекторов, возникающих от действия факторов хранения и эксплуатации, напрямую зависит качество космических спутниковых систем.
Что касается миллиметрового диапазона, то допускаемые отклонения здесь составляют всего несколько микрон на диаметре зеркала в несколько метров. В свою очередь это определяет выбор конструкций, материалов, а также технологий изготовления рефлекторов.
В качестве материалов здесь можно рассматривать исключительно материалы с низким значением коэффициента теплового расширения. К примеру это могут быть углепластики (телескоп Планк), астроситалл, суперинвар, карбид кремния (телескоп Гершель), органопластики и другие. Для рефлекторов с активным адаптивным управлением можно применять бериллий (проект JWST).
В большинстве случаев в качестве технологии применяется высокоточная механическая обработка, включая автоматизированные методы доводки поверхностей. Что касается нашей страны, то в России для доводки зеркал из астроситалла используются станки серий АД и АПД. Эта технология трудоемкая и дорогостоящая, и в России она может быть использована только по отношению к зеркалам из астроситалла, который представляет собой хрупкий материал по массе, жесткости и ударопрочности углепластику. Кроме того, наша страна не имеет технологии получения облегченных зеркал, и в отношении России существует жесткое эмбарго на поставку как астроситалловых зеркал, так заготовок с облегчением свыше более 50 процентов. Стоимость одного квадратного метра прецизионной поверхности из карбида кремния или бериллия составляет примерно от одного миллиона долларов, а технологический цикл изготовления 1 квадратного метра — около 1 года.
Еще одной технологией является формование рабочей поверхности из углепластика на прецизионной матрице. Это обеспечивает минимальную стоимость и трудоемкость, однако в этом случае проблемой является коробление углепластика от внутренних напряжений, которые вызываются погрешностями траекторий армирования и различными коэффициентами теплового расширения углеродного волокна и полимерной матрицы.
Помимо этого, углепластик подвержен паразитным релаксационным и влажностным деформациям и растрескиванию полимерной матрицы при захолаживании. По словам специалистов, эти проблемы принципиально решаемы — это доказывают исследования и успешная миссия криогенного телескопа Планк (его главное зеркало выполнено из углепластика).
Таким образом, на сегодняшний день в России имеется только одна технология изготовления размеростабильных конструкций - прецизионная обработка астроситалла. Основная проблема здесь состоит в серьезных недостатках самого материала, чрезвычайной трудоемкости и дороговизне данной технологии, а также в отсутствии способа получения облегченных астроситалловых конструкций.
Для главного 10-метрового зеркала «Миллиметрон» допускаются отклонения в 10 микрон, при этом зеркало выполнено из отдельных прецизионных панелей, устанавливающихся на актуаторах (подвижные опоры).
Как сообщается на сайте ФИАН, решение поставленной задачи можно увидеть в использовании сильных сторон астроситалла и углепластика и нивелировании их недостатков. Достичь подобного можно формированием углепластиковых конструкций на прецизионных матрицах из астроситалла. Отклонения поверхности матрицы от теоретической поверхности при этом должно составить менее микрона, что вполне достижимо для России.
По словам специалистов, суть инновации здесь в создании конструкции прецизионных панелей и технологии их изготовления из высокомодульного цианэфирного углепластика на матрицах из астроситалла, при этом технологическая погрешность изготовления поверхности составляет 0-2 микрона, а длительность изготовления одной панели не превышает одного месяца. Что касается стоимости, то один квадратный метр обойдется не более 200 тысяч долларов, при этом конструкция в два раза превосходит ситалловую по жесткости и в 1,7 раза легче по массе. Также углепластиковая панель в два раза легче панели из карбида кремния и в 40 раз выигрывает по температурной деформативности у бериллия.
Как можно видеть, дорогостоящая ситалловая матрица будет порождать сравнительно дешевые углепластиковые прецизионные поверхности, имеющие ключевые конкурентные преимущества по массе и жесткости, а также по стоимости, трудоемкости изготовления (по сравнению с астроситаллом, карбидом кремния и бериллием) и интегральной деформативности. Все эти преимущества, как ожидается, смогут обеспечить наилучшее соотношение цена-качество, а также привести к успеху на рынке суперточных космических антенн миллиметрового диапазона.
Разработанная сейчас базовая технология создания прецизионных панелей состоит в следующем:
– изготовление прецизионной матрицы из астроситалла типа Zerodur или CO-115M c погрешностью поверхности RMS не более одного микрона;
– специальное расчленение конструкции на оптимальные элементы с целью реализации высокоточной выкладки углеродного препрега на стеклокерамическую прецизионную матрицу по специальным траекториям с погрешностью не более 0,1 градуса;
– специальное прецизионное формование уложенного углепластикового пакета, которое исключает деформации коробления углепластика;
– специальная термообработка силового набора с целью подавления релаксационных деформаций;
– проведение ряда адаптивных мероприятий над изготовленной прецизионной панелью с целью минимизации паразитных сдвиговых и изгибных термоперемещений до уровня погрешности измерительных средств;
– сборка панелей в единое зеркало.
Для отработки технологии создано экспериментальное производство, а также изготовлены экспериментальные образцы и технологические макеты прецизионных панелей.
Источник: АНИ «ФИАН-Информ»
Комментарии читателей Оставить комментарий