Узел крепления и юстировки астрономического зеркала в трубе телескопа
Владельцы патента RU 2321872:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Новосибирский приборостроительный завод" (ФГУП "ПО "НПЗ") (RU)
Изобретение относится к области оптического приборостроения и направлено на обеспечение крепления и юстировку зеркал диаметром до 300 мм без ухудшения формы поверхности. Этот результат обеспечивается за счет того, что узел крепления и юстировки астрономического зеркала в трубе телескопа имеет возможность наклона зеркала относительно его центра и содержит вклеенную в зеркало разрезную втулку, которая соединена с подвижной втулкой выпуклого сферического шарнира, которая перемещается внутри вогнутого сферического шарнира заднего фланца трубы телескопа при помощи прижимных болтов, пропущенных через отверстия фланца в стопорное кольцо, надетое на буртик выпуклого сферического шарнира. Устранение деформаций поверхности зеркала достигается тем, что торец разрезной втулки, противоположный лепесткам, снабжен упорным цилиндрическим буртиком, к которому резьбовым кольцом крепится втулка подвижного сферического шарнира, причем с обеих сторон буртика установлены прокладные кольца, упирающиеся в буртик тремя симметричными выступами, расположенными друг напротив друга. Прокладные кольца зафиксированы от поворота на втулке выпуклого сферического шарнира стопорными винтами. 7 ил.
Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в серийных малогабаритных телескопах для крепления и юстировки главных зеркал, имеющих центральное отверстие.
Известен узел крепления главного зеркала с центральным отверстием при помощи втулки за края центрального отверстия, позволяющий снизить деформацию рабочей поверхности при воздействии динамических нагрузок и перепада температур и допускающий возможность юстировки зеркала [1].
Известный узел крепления зеркал с центральным отверстием применим для приборов с пониженными требованиями к качеству изображения. Его главным недостатком при использовании в малогабаритных астрономических телескопах, где среднеквадратичная ошибка формы поверхности зеркала не должна превышать RMS=0,05-0,07λ, являются остаточные деформации поверхности зеркала, происходящие как при отвердевании герметика, так и при освобождении напряжений зажимного элемента при перепадах температур. Кроме того, упругие элементы крепления не позволяют при указанном допуске на форму поверхности зеркала поддерживать его юстировку в системе с точностью 20"-40" (как того требуют некоторые светосильные оптические системы телескопов) в условиях динамических нагрузок, возникающих при транспортировке телескопа. Поэтому требуется трудоемкая настройка узла крепления зеркала после транспортировки.
Известен узел крепления главного зеркала с центральным отверстием, примыкающий к внутренней поверхности задней крышки и содержащий неподвижную опорную втулку сферического шарнира и втулку с явно выраженными упругими лепестками, на которой жестко крепится главное зеркало [2, 3].
Известный узел позволяет крепить и юстировать зеркала малогабаритных телескопов диаметром до 200 мм, но при креплении зеркал большего диаметра возникают значительные остаточные деформации поверхности, причиной появления которых является передача продольного усилия затяжки резьбового соединения разрезной втулки и втулки выпуклого сферического шарнира упругим лепесткам разрезной втулки, а, следовательно, и зеркалу, что и является главным недостатком известного узла.
Предлагаемый узел крепления зеркала в телескопе дает возможность избавиться от остаточных деформаций поверхности зеркала, возникающих при соединении разрезной втулки и втулки подвижного выпуклого сферического шарнира.
Это обеспечивается тем, что торец разрезной втулки, противоположный лепесткам, снабжен упорным цилиндрическим буртиком, к которому резьбовым кольцом крепится втулка подвижного сферического шарнира, а на ней с обеих сторон буртика установлены прокладные кольца, упирающиеся в буртик тремя радиально-симметричными выступами, расположенными друг напротив друга, причем прокладные кольца зафиксированы от поворота на втулке стопорными винтами. При этом усилие сжатия и реакция опоры, возникающие при затягивании резьбового кольца, распределены в местах касания радиально-симметричных выступов прокладных колец и буртика, и, практически, приложены в одних и тех же точках, что не вызывает прогибов упорного буртика и передачи напряжений упругим лепесткам разрезной втулки.
Авторам не известны узлы крепления астрономических зеркал с центральным отверстием, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемый узел крепления астрономического зеркала от прототипа, поэтому данный узел крепления астрономического зеркала обладает существенными отличиями.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами.
Фиг.1 - Узел крепления астрономического зеркала с центральным отверстием в трубе телескопа.
Фиг.2 - Интерферограммы 256 мм зеркала с вклеенной в него разрезной втулкой.
Фиг.3 - Интерферограммы 256 мм зеркала фиг.2, заблокированного в заявляемом узле крепления.
Фиг.4, 6 - Интерферограммы 256 мм зеркал.
Фиг.5, 7 - Интерферограммы 256 мм зеркал фиг.4 и 6, заблокированные в заявляемом узле крепления.
На фиг.1 изображен предлагаемый узел крепления астрономического зеркала с центральным отверстием в трубе телескопа. Узел содержит: главное зеркало 1 с центральным отверстием, разрезную втулку 2, подвижную втулку выпуклого сферического шарнира 3, прокладные кольца 4 и 5, резьбовое кольцо 6, стопорные винты 7 и 8, неподвижный вогнутый шарнир 9, являющийся одновременно задним фланцем трубы телескопа, стопорное кольцо 10 и прижимные болты 11.
Принцип работы предлагаемого узла крепления астрономического зеркала с центральным отверстием следующий.
Главное зеркало 1 жестко приклеивается к опорным площадкам упругих лепестков разрезной втулки 2, при этом ось втулки перпендикулярна базовой плоскости опорной площадки тыльной стороны зеркала 1 (фиг.1). Разрезная втулка 2 соединяется через упорный буртик с подвижной втулкой выпуклого сферического шарнира 3 (на буртик которой предварительно надевается стопорное кольцо 10) при помощи прокладных колец 5, 4 и резьбового кольца 6. Каждое прокладное кольцо снабжено тремя радиально-симметричными выступами, которые при сборке узла последовательно устанавливаются на втулке 3 напротив друг друга упорными площадками и фиксируются от взаимного перемещения стопорными винтами 8 и 7, после чего производится затяжка резьбового кольца 6 и установка собранного блока в вогнутый сферический шарнир 9 заднего фланца трубы телескопа. Окончательная затяжка прижимных болтов 11 производится в процессе юстировки зеркала в телескопе.
Опорные выступы колец имеют ширину 8-10 мм, они шлифуются и подгоняются по толщине с допуском 0,01 мм. Угловые подвижки зеркала 1 вокруг его центра в процессе юстировки телескопа производятся перемещением втулки выпуклого сферического шарнира 3 в неподвижном вогнутом сферическом шарнире 9 заднего фланца трубы телескопа при помощи прижимных болтов 11, пропущенных через отверстия фланца 9 в стопорное кольцо 10, надетое на буртик подвижной втулки сферического шарнира 3.
Опытным путем на вибростенде при моделировании динамической нагрузки на предлагаемый узел крепления зеркала диаметром 256 мм, возникающей при автомобильной транспортировке телескопа в жесткой таре без амортизаторов, было установлено, что для исключения угловых перемещений зеркала порядка 20"-40" в полностью затянутом шлифованном сферическом шарнире при ширине шлифованных опорных площадок прокладных колец 8-10 мм необходимое усилие затяжки резьбового кольца 6 составляет 3-5 кг/м. Приложенное к буртику разрезной втулки 2 усилие затяжки резьбового соединения элементов 6 и 3 распределяется в пределах опорных площадок прокладного кольца 4 тем равномернее, чем точнее они, а также и стороны упорного буртика разрезной втулки 2, обработаны и чем выше чистота обработки. Поскольку прокладное кольцо 5 между буртиком разрезной втулки 2 и буртиком втулки сферического шарнира 3 установлено опорными площадками напротив опорных площадок прокладного кольца 4, то реакции опоры, действующие на буртик втулки 2, будут распределены в пределах опорных площадок прокладного кольца 5 и приложены к буртику в тех же местах, что и действующие на него усилия сжатия, поэтому они не вызовут изгибающих моментов, которые могли бы привести к деформации упорного буртика разрезной втулки 2, а следовательно, и зеркала 1. Однако учитывая, что опорные площадки колец 4 и 5 обладают конечными размерами, для полного исключения остаточных деформаций поверхности зеркала, которые все же могут произойти от неравномерности распределения усилия затяжки резьбового соединения элементов 3 и 6 в местах касания опорных площадок прокладных колец 4, 5 с буртиком разрезной втулки 2, необходима высокая чистота обработки и подгонка по толщине опорных площадок прокладных колец и буртика.
Обоснуем возможность крепления астрономического зеркала с центральным отверстием в предлагаемом узле без существенного изменения формы оптической поверхности на примере блокировки зеркала диаметром 256 мм.
На фиг.2 приведены интерферограммы 256 мм зеркала (взаимно перпендикулярные полосы и кольца) с 80 мм центральным отверстием, в которое вклеена на термостойкий эластичный клей стальная термически обработанная разрезная втулка с 15-ю шлифованными упругими лепестками [2]. Интерферограммы получены из центра кривизны зеркала на интерферометре типа Физо. В правом верхнем углу фиг.2 приведена полученная в результате цифрового анализа величина среднеквадратической ошибки волнового фронта RMS, измеренная из центра кривизны зеркала (удвоенная ошибка формы поверхности, отнесенная к длине волны λ=632,8 нм). В левом верхнем углу фиг.2 для справки приведено максимальное отклонение волнового фронта от ближайшей сферы сравнения PV.
На фиг.3 приведены интерферограммы того же зеркала, находящегося в полностью собранном заявляемом узле крепления, причем прокладные кольца 4 и 5 специально не подгонялись. Резьбовое кольцо 6 зажато моментом 5 кг/м, а котировочные болты 10 полностью затянуты. Интерферограммы фиг.3 получены в той же схеме контроля, что и интерферограммы фиг.2.
Сравнивая среднеквадратическую ошибку волнового фронта RMS, приведенную на фиг.2 и 3, можно видеть, что форма поверхности зеркала, установленного в предлагаемый узел крепления, и форма поверхности зеркала с вклеенной в него разрезной втулкой различаются несущественно. Разница в величине RMS составляет 0,016λ. Сборка и контроль двух десятков опытных комплектов аналогичных узлов крепления 256 мм зеркал показали, что, в среднем, без подгонки деталей узла крепления изменения формы зеркал не превышают указанной величины, а при тщательной шлифовке и подгонке опорных площадок прокладных колец 4,5 и буртика разрезной втулки 2 (фиг.1) могут быть уменьшены до RMS=0,01λ и менее.
В качестве примера того, сколь малыми могут быть изменения формы поверхности зеркала при тщательной доводке деталей предлагаемого узла крепления зеркала, приводятся интерферограммы фиг.4-7, полученные для двух 256 мм зеркал тех же параметров и при тех же условиях контроля. Интерферограммы фиг.4 и фиг.6 соответствуют незаблокированным зеркалам без вклеенных в них разрезных втулок, а интерферограммы фиг.5 и фиг.7 - тем же зеркалам, собранным в предлагаемый узел крепления с тщательно прошлифованными и подогнанными по толщине прокладными кольцами. Сопоставляя данные расчета ошибок волнового фронта на интерферограммах фиг.4, 5 и фиг.6, 7 видно, что разница в среднеквадратической ошибке RMS для заблокированного и не заблокированного зеркала не превышает 0,003λ, а разница PV не превышает 0,05λ и находится за пределами точности цифровой интерферометрии. Это дает возможность утверждать, что заблокированное в предлагаемый узел крепления астрономическое зеркало при тщательной доводке деталей узла крепления практически не изменяет форму своей поверхности.
Таким образом, можно считать обоснованным, что предлагаемый узел крепления и юстировки астрономического зеркала позволяет крепить в телескопе зеркала диаметром 256 мм без существенных деформаций их поверхности. Это обеспечивается благодаря новой совокупности отличительных признаков: торец разрезной втулки, противоположный лепесткам, снабжен упорным цилиндрическим буртиком, к которому резьбовым кольцом крепится втулка подвижного сферического шарнира, а на ней с обеих сторон буртика установлены прокладные кольца, упирающиеся в буртик тремя радиально-симметричными выступами, расположенными напротив друг друга, причем прокладные кольца зафиксированы от поворота на втулке стопорными винтами.
Предлагаемый узел крепления и юстировки астрономического зеркала, реализуя способ крепления прототипа, сохраняет все его конструктивные достоинства, такие как: эффективная разгрузка зеркала от собственного веса, упрощение конструкции узла крепления зеркала, обеспечение возможности юстировки и сохранения ее стабильности в условиях динамических нагрузок, уменьшение габаритов и веса трубы телескопа, малая чувствительность инструмента к колебаниям температуры окружающей среды. Кроме того, благодаря новой совокупности отличительных признаков можно прогнозировать увеличение диаметра блокируемого зеркала по крайней мере до 300 мм, а также существенное улучшение качества блокировки зеркал меньшего диаметра, что должно уменьшить процент брака на сборке по остаточным деформациям формы поверхности зеркала.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.П.Трушкин, Г.А.Родионов, Р.X.Гарифуллина "Оправа для оптического элемента с центральным отверстием". Авторское свидетельство СССР SU №1697038 А1, Бюллетень №45, 1991.
2. Клевцов Ю.А. "Способ крепления астрономического зеркала в трубе телескопа". Патент на изобретение РФ RU №2201608 С2, Бюллетень №9, 2003.
3. И.В.Кучер, Ю.А.Клевцов, Л.В.Парко "Устройство катадиоптрического телескопа". Описание полезной модели RU №23508 U1, Бюллетень №17, 2002.
Узел крепления и юстировки астрономического зеркала в трубе телескопа, содержащий разрезную втулку, соединенную с подвижной втулкой выпуклого сферического шарнира, выполненной с возможностью перемещения внутри вогнутого сферического шарнира заднего фланца трубы телескопа, при помощи прижимных болтов, пропущенных через отверстия фланца в стопорное кольцо, надетое на буртик выпуклого сферического шарнира, отличающийся тем, что торец разрезной втулки, противоположный лепесткам, снабжен упорным цилиндрическим буртиком, к которому резьбовым кольцом крепится втулка подвижного сферического шарнира, а на ней с обеих сторон буртика установлены прокладные кольца, упирающиеся в буртик тремя радиально-симметричными выступами, расположенными друг напротив друга, причем прокладные кольца зафиксированы от поворота на втулке стопорными винтами.
