Способ крепления астрономического зеркала в трубе телескопа

 

Изобретение относится к области астрономического приборостроения и может быть использовано в серийных малогабаритных телескопах для крепления главных зеркал, имеющих центральное отверстие. Изобретение позволяет разгрузить зеркало от собственного веса без каких-либо сложных разгрузочных приспособлений, исключить децентрировки зеркала и компенсировать влияние температуры в процессе наблюдений на форму его поверхности. Это обеспечивается за счет того, что в процессе крепления астрономического зеркала с центральным отверстием в трубе телескопа это зеркало приклеивают ободом центрального отверстия к опорным площадкам упругих лепестков разрезной втулки. Предлагается приклеивание производить термостойким клеем со степенью усадки не более 3%, а разрезную втулку выполнять из углеродистой стали с последующей термической обработкой. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области астрономических приборов и может быть использовано в серийных малогабаритных телескопах для крепления главных зеркал, имеющих центральное отверстие.

В литературе описаны способы крепления астрономических зеркал в оправе, включающие разгрузочные приспособления и элементы компенсации термического зазора между зеркалом оправой [1].

Известные способы крепления астрономических зеркал в оправах приводят к конструктивно сложным, массивным и габаритным узлам крепления главного зеркала, требующим, к тому же, значительного времени на его отстойку при изменении температуры окружающей телескоп среды.

Способ крепления астрономического зеркала в оправе без компенсации термического зазора [2] , применяющийся в серийных телескопах небольшого действующего отверстия (до 300 мм), требует жесткой массивной стальной оправы с элементами разгрузки зеркала по тыльной стороне от собственного веса, позволяющими сохранять точную форму зеркала во всех его положениях (или без них, если зеркало имеет достаточную толщину). Между зеркалом и оправой оставляется небольшой термический зазор, в пределах которого главное зеркало может свободно перекатываться при перекладках инструмента в процессе наблюдений, что является серьезным недостатком такого способа крепления зеркала.

Ничем не ограниченное перемещение главного зеркала в пределах термического зазора и эластичность разгрузочных приспособлений приводят к значительным и недопустимым, особенно в случае светосильных систем, децентрировкам зеркала, возникающим как при изменениях температуры окружающего телескоп воздуха, так и при перекладках инструмента, что, в конечном итоге, приводит к потере качества изображения и к необходимости частой переюстировки инструмента. Попытки зафиксировать зеркало в оправе, вводя, например, в зазор герметик в нескольких точках диаметра зеркала, неизбежно приводят к искажению формы его поверхности при изменении температуры окружающей телескоп среды.

Предлагаемый способ крепления зеркала дает возможность избавиться от массивной оправы и разгрузить зеркало от собственного веса без каких-либо сложных разгрузочных приспособлений, полностью исключить децентрировки зеркала и компенсировать влияние изменения температуры в процессе наблюдений на форму его поверхности.

Это обеспечивается приклеиванием зеркала ободом центрального отверстия к опорным площадкам упругих лепестков разрезной втулки, которая берет на себя функцию элемента разгрузки зеркала от собственного веса и одновременно является термокомпенсатором.

Автору не известен способ крепления астрономических зеркал за центральное отверстие при помощи жестко приклеенной к нему разрезной втулки, поэтому предложенный способ крепления зеркала обладает новизной.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами: фиг. 1 - вариант крепления главного зеркала с центральным отверстием в трубе телескопа, способом приклеивания его ободом центрального отверстия к опорным площадкам лепестков разрезной втулки; фиг.2 - интерферограммы зеркала до вклейки в него разрезной втулки; фиг.3 - интерферограммы зеркала после вклейки в него разрезной втулки; фиг. 4 - интерферограммы зеркала с вклееной в него разрезной втулкой после локального термического удара в центре.

На фиг.1 изображен конструктивный вариант крепления астрономического зеркала с центральным отверстием в трубе телескопа по предлагаемому способу. Зеркало 1 жестко приклеено по ободу центрального отверстия к опорным площадкам упругих лепестков разрезной втулки 2, которая соединена с задним фланцем трубы телескопа 3 через элементы сферического шарнира 4, 5, служащие для юстировки зеркала.

Обоснуем возможность достижения заявленных эффектов на примере крепления 200 мм главного сферического зеркала зеркально-линзового телескопа предлагаемым способом.

Прогибы поверхности зеркала, жестко закрепленного за центральное отверстие, от действия собственного веса можно проанализировать, пользуясь методикой, изложенной в литературе [3], где рассмотрены разные случаи закрепления круглых плоскопараллельных пластинок с центральным отверстием. Пренебрегая кривизной зеркала и используя данные из этой литературы для прогибов плоскопараллельной пластинки в случае ее жесткого защемления по диаметру центрального отверстия, можно прийти к выводу, что при отверстии в центре зеркала 1/4-1/3 его диаметра прогибы поверхности под действием собственного веса будут значительно меньше, чем при разгрузке тыльной стороны зеркала в оправе [1] на шесть или девять опорных точек (при одной и той же толщине зеркала и его диаметре) и, к тому же, будут иметь осесимметричный вид. При прочих равных условиях это позволяет уменьшить толщину, а, следовательно, и вес зеркала.

При достаточно большом числе лепестков и малых промежутках между ними разрезная втулка 2, приклеенная опорными площадками лепестков к ободу центрального отверстия, практически эквивалентна сплошной, следовательно, может взять на себя функцию разгрузки зеркала от действия собственного веса, поэтому надобность в оправе и разгрузочных приспособлениях отпадает, что упрощает узел крепления главного зеркала и уменьшает его вес.

Задний фланец телескопа 3 фиг.1, на который зеркальный узел опирается сферическим шарниром 4, 5, служащим для юстировки, можно выполнять из алюминиевых сплавов (что для оправы(1) совершенно недопустимо из-за больших термических зазоров). Это также существенно уменьшает вес узла крепления главного зеркала.

Подвешенное в сферическом шарнире на разрезной втулке главное зеркало (см. фиг. 1) можно до предела сблизить с внутренним диаметром трубы телескопа. Это позволит уменьшить диаметр трубы до минимума, определяемого действующим отверстием и полем зрения, что опять-таки уменьшает габариты и массу телескопа.

По совокупности всех рассмотренных факторов можно считать обоснованым как возможность разгрузки зеркала жестко заблокированого клеем на разрезную втулку от собственного веса, так и связанное с этим значительное конструктивное упрощение узла крепления зеркала и уменьшение веса трубы телескопа.

Разрезная втулка выполняет также важную роль термического компенсатора радиальных усилий, действующих на зеркало при изменении температуры в процессе наблюдений на телескопе и, обращаясь в практически жесткую конструкцию после полимеризации клея, стабильно удерживает зеркало от каких-либо перемещений под воздействием транспортных вибраций или перекладок трубы.

При изменении температуры окружающей среды, а также в процессе усадки клея в направлении нормали к поверхности контактных площадок, упругие лепестки разрезной втулки перемещаются в радиальном направлении, компенсируя тем самым усилия, действующие на зеркало. Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что если бы втулка была сплошной, усилия, возникающие в паре металл-стекло от усадки клея и от перепадов температуры изменили бы поверхность зеркала так, что практически наблюдать с таким зеркалом было бы невозможно. Именно поэтому втулка делается разрезной из углеродистой стали (марки 45-60), с последующей термообработкой для повышения ее упругости.

Чтобы упругие лепестки втулки сами не оказали вредного воздействия на форму поверхности зеркала, между площадью поверхности опорных площадок, длиной и числом лепестков и толщиной их сечения должны выполняться определенные соотношения, которые сложным образом связаны со свойствами клея и окончательно устанавливаются опытным путем.

При достаточно большом числе лепестков втулки (10-12) их сечение в плоскости, перпендикулярной оси зеркала, приближается к прямоугольному. Анализ прогиба отдельного лепестка-балки прямоугольного сечения [4] позволяет сделать заключение о том, что величина радиального усилия, передаваемого опорной площадкой лепестка зеркалу, пропорциональна кубу толщины сечения лепестка в радиальном направлении в месте изгиба и обратно пропорциональна кубу его длины и числу лепестков. Следовательно, чем больше число лепестков втулки и их длина и чем меньше толщина сечения лепестка, тем меньшее усилие лепесток передает зеркалу при радиальной усадке клея и колебаниях температуры. Площадь контакта опорной площадки лепестка с ободом зеркала не должна быть большой, в противном случае возможна деформация поверхности зеркала по причине усадки клея в направлении поверхности опорной площадки. Площадь контакта опорной площадки лепестка зависит преимущественно от величины усадки клея и толщины зеркала в месте центрального отверстия. Поэтому клей нужно применять с как можно меньшей усадкой, по крайней мере, как показали исследования, не более 3%. Поскольку зеркало должно работать в широком интервале температуры без разрушения слоя клея, то необходимо использовать термостойкие клеи, не разрушающиеся при температуре до -60 градусов.

Изменение формы поверхности зеркала является практическим критерием применимости предлагаемого способа крепления. На всех этапах выбора параметров разрезной втулки и клея эти изменения контролировались на интерферометре типа Физо из центра кривизны зеркала.

Интерферометрические испытания зеркала позволили установить оптимальные сочетания параметров разрезной втулки, включая ее термообработку, и выбрать подходящие марки клея. Испытания проводились с главным сферическим зеркалом из астроситалла (СО115-М) для 200 мм зеркально-линзового телескопа. Внешний диаметр зеркала - 206 мм. Толщина по центру - 20 мм, на краю - 25 мм. Диаметр центрального отверстия - 62 мм. Втулка выполнялась из углеродистой стали марки 45 с закалкой до HRC 45-50 кгс/мм.

Интерферометрическими измерениями формы поверхности установлено, что в данном случае площадь контактной площадки лепестка разрезной втулки не должна превышать величины порядка одного квадратного сантиметра при использовании термостойких (от -60 до +50 градусов) клеев со степенью усадки порядка 2%-3% (клей К-300-61 [5], с которым проводились испытания зеркала имеет усадку 2%). С данным зеркалом это соответствует разрезной втулке с десятью лепестками.

Жесткость астрономических зеркал в радиальном направлении обычно чрезмерна и такова, что допустимое радиальное усилие, приложенное на опорной площадке лепестка к ободу центрального отверстия, сопоставимое с весом зеркала, еще не вызывает заметных деформаций его поверхности. Последнее тоже проверено опытным путем: исследованием формы нагруженного зеркала из центра кривизны на интерферометре. Форма поверхности зеркала, как с нагруженным в пределах его веса центром, так и подвешенного на цилиндрическую втулку за центральное отверстие, практически не изменяется.

Таким образом, определив допустимый порядок величины усилия на лепестке разрезной втулки [4], можно рассчитать остальные ее параметры: длину и толщину сечения лепестков таким образом, чтобы снизить радиальное усилие, действующее на зеркало в диапазоне рабочей температуры от -30 до +40 градусов, до величины, заведомо не представляющей опасности для формы поверхности зеркала. Окончательные параметры разрезной втулки, как уже сказано выше, уточнены на основе интерферометрических испытаний и оказались следующими: средняя длина лепестка от центра контактной площадки до конца прорези во втулке (см. фиг.1) - 22 мм, толщина сечения лепестка - 1 мм, число лепестков - 10. Зазор в отверстии между зеркалом и лепестками втулки не более 50 мкм. Марка клея К 300-61 [5].

На фиг. 2 приведены интерферограммы зеркала во взаимно перпендикулярных направлениях до вклейки в него разрезной втулки. Почти прямая форма интерференционных полос и среднеквадратическое отклонение волнового фронта от ближайшей сферы сравнения не превышающее 0,03 (приведенное в правом верхнем углу фиг.2) свидетельствует о высоком качестве поверхности зеркала. На фиг.3 приведены интерферограммы того же зеркала после вклейки в него разрезной втулки и полной полимеризации слоя клея. Среднеквадратическое отклонение волнового фронта от ближайшей сферы сравнения при этом составило не более 0,04. Это говорит о том, что из-за усадки клея форма поверхности зеркала практически не изменилась. На фиг.4 приведены интерферограммы того же зеркала со вклеенной в него втулкой. Во втулку заложена вынутая из кипятка 300 граммовая гиря от разновеса. Таким образом, создан локальный термический градиент температуры центр-край порядка 40-60 градусов. Тем не менее, интерферограммы показывают, что форма поверхности зеркала практически не изменяется. Из нижней интерферограммы фиг. 4 (на кольцах) хорошо видно отсутствие астигматизма поверхности (кольца круглые). Поток теплого воздуха впереди зеркала хорошо виден на всех интерферограммах фиг.4 и не имеет отношения к форме поверхности зеркала.

Если вклеенная в центральное отверстие зеркала разрезная втулка с упругими лепестками компенсирует такой явно большой и нереальный в практических условиях эксплуатации градиент температуры в паре сталь-ситалл (при разности коэффициентов линейного расширения 0,000011), то сравнительно небольшие плавные колебания температуры, имеющие место в реальных условиях наблюдений, тем более не должны отражаться на форме поверхности зеркала.

Таким образом, приведенный выше материал (см. фиг.2, 3, 4) подтверждает, что вклейка в центральное отверстие зеркала разрезной втулки при указанных выше соотношениях между ее конструктивными элементами не приводит к искажению формы поверхности зеркала, в том числе и в условиях весьма значительного градиента температуры, что подтверждает возможность использования разрезной втулки также и в качестве термокомпенсатора радиальных напряжений, возникающих в месте контакта ее лепестков с зеркалом от изменения температуры окружающей телескоп среды.

Жесткость узла крепления зеркала, заблокированного в трубе телескопа предложенным способом, проверялась косвенным путем. Тщательно отъюстированный телескоп с заблокированным на разрезной втулке зеркалом (допуск на поворот зеркала в системе телескопа порядка 40") подвергался вибрациям на стенде с ускорениями порядка 2g (транспортная тряска) в жесткой таре без амортизаторов в течение одного часа (для сравнения: трубы телескопов такого же класса американской фирмы "MEADE" перевозятся в таре с двойной амортизацией и в вертикальном положении, чтобы снизить вредные поперечные составляющие вибраций). Контроль качества изображения точечного источника света с этим телескопом после трех циклов вибраций показал, что оно практически не изменяется. Это позволяет утверждать, что предлагаемый способ крепления обладает, помимо всего прочего, достаточной жесткостью и позволяет надежно блокировать зеркала с допусками на поворот оси по крайней мере до 30-40 угловых секунд.

Таким образом, можно считать доказанным, что предложенный способ крепления позволяет разгрузить зеркало от собственного веса, упростить конструкцию узла его крепления, уменьшить габариты и вес трубы телескопа, а также обеспечить малую чувствительность инструмента к колебаниям температуры окружающей среды и к вибрациям, которым телескоп подвергается при транспортировке и во время работы.

ЛИТЕРАТУРА 1. Максутов Д.Д. Изготовление и исследование астрономической оптики. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984, с. 63-87.

2. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1976, с. 384-401.

3. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. - М.: Наука., 1966, с. 73-79.

4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т., T.1, 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1982. - с. 64-85.

5. ОСТ В6-5-5100-77 "Клей К-300-61".

Формула изобретения

1. Способ крепления астрономического зеркала с центральным отверстием в трубе телескопа, заключающийся в том, что дает возможность разгружать зеркало без сложных разгрузочных приспособлений, отличающийся тем, что зеркало приклеивают ободом центрального отверстия к опорным площадкам упругих лепестков разрезной втулки.

2. Способ крепления по п. 1, отличающийся тем, что приклеивание производят термостойким клеем со степенью усадки не более 3%, а разрезную втулку выполняют из углеродистой стали с последующей термической обработкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4