Система разгрузки зеркала оптического телескопа
Владельцы патента RU 2498361:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Российской академии наук Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН (ИСЗФ СО РАН) (RU)
Изобретение может быть использовано для крупногабаритных оптических астрономических зеркал, которые нуждаются в осевой и радиальной поддержке, чтобы исключить их деформацию от собственного веса, из-за релаксации внутренних напряжений и изменения ориентации зеркал в пространстве. Система содержит механическую радиальную разгрузку и пневмомеханическую осевую разгрузку, при которой основание зеркала при любых углах наклона прижимается к осевым опорам с силой, равной весу зеркала, создаваемой за счет разрежения воздуха в камере, ограниченной задней поверхностью зеркала, оправой и герметизирующей манжетой. Боковая сторона зеркала разгружена на радиальные опоры через ряд витков эластичного цилиндрического шнура, охватывающих боковую поверхность зеркала поверх манжеты и позволяющих зеркалу свободно перемещаться в осевом направлении. Технический результат - уменьшение искажений поверхности зеркала при любом угле его наклона, положительном или отрицательном, и, как следствие, снижение требований к жесткости материала зеркала, а также обеспечение возможности использования технологической оправы, в которой осуществляется оптическая обработка зеркала, в качестве контрольной в оптическом цехе и рабочей оправы зеркала телескопа. 2 ил.
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к способам крепления и разгрузки оптических элементов, преимущественно крупногабаритных зеркал звездных и солнечных телескопов, сидеростатов и целостатов. Задача разгрузки - держать зеркало так, чтобы силы тяжести зеркала, давления ветра и ускорения телескопа не вызывали значительных изменений формы поверхности и положения зеркала. Положение зеркала определяется несколькими позиционирующими опорами (твердыми точками). Позиционирующие опоры и связанные с ними регуляторы положения несут очень небольшую часть нагрузки от веса зеркала. Значительную часть веса зеркала несет на себе «плавающая» разгрузка, с помощью которой снижают деформации поверхности зеркала. Опоры плавающей разгрузки имитируют плавучесть, как будто зеркало плавает в среде с такой же плотностью. Нагрузка на опоры от силы тяжести зеркала изменяется с наклоном зеркала (телескопа), так что плавающая поддержка должна разгружать зеркало в осевом и радиальном направлениях при любой его ориентации. Как правило, разгрузка зеркал, работающих рабочей поверхностью наверх (отрицательные углы наклона) и работающих рабочей поверхностью вниз (положительные углы наклона) производится в разных оправах.
Целью изобретения является уменьшение искажений поверхности зеркала при разгрузке в одной и той же оправе при любом угле его наклона, положительном или отрицательном, и результат этого - снижение требований к жесткости материала зеркала.
Известна механическая балансирная разгрузка Гребба [1], которая устроена следующим образом. Зеркало имеет шесть степеней свободы, поэтому достаточно его заднюю плоскую поверхность в оправе опереть через упорные тарелочки на три осевые шаровые опоры оправы и ограничить поперечные смещения еще тремя боковыми опорами. Но зеркало упруго, и в промежутках между опорами на задней поверхности оно прогнется и исказит свою форму.
Поэтому на каждый шар треугольной опоры устанавливают новый ярус - сбалансированный треугольник с тремя новыми упорными тарелочками. Получают девять оптимально расположенных опор. Более высокие ярусы опор для осевой разгрузки можно устанавливать в зависимости от диаметра, толщины и жесткости зеркала.
Примерно такая же балансирная система, но с опорой не на шар, а на цилиндрическую ось применяется для радиальной разгрузки по периметру зеркала.
Однако с изменением наклона телескопа давление зеркала на опоры изменяется и релаксация напряжений, присущих материалу зеркала, а также полученных им во время оптической обработки в горизонтальном положении, приводит к искажению формы поверхности зеркала. Радиальная разгрузка Гребба верхней части зеркала оказывается неэффективной.
Это приводит к прогибу зеркала при небольших углах наклона оси зеркала к горизонту. Кроме того, разгрузка Гребба может быть применена только для зеркал, расположенных рабочей стороной вверх.
Известна также механическая разгрузка на опорах системы Ласселя [2]. Разгрузка может быть применена для зеркал как рабочей поверхностью вниз, так и рабочей поверхностью наверх, но в разных оправах. Каждая опора этой системы представляет собой рычаг, шарнирно укрепленный в оправе зеркала. В осевой разгрузке один конец рычага подпирает (оттягивает) через разгрузочную тарелку тыльную часть зеркала, а на другом закреплен противовес. Зеркало может опираться на произвольное число опор. Радиальную (рычаг-противовес) разгрузку, в отличие от балансирной, можно осуществить по всему периметру зеркала. Для этого тарелочки разгрузочных устройств приклеивают к боковой цилиндрической поверхности зеркала. Боковая разгрузка, распределенная по косинусоидальному закону, будет работать эффективно - сжимать нижнюю часть зеркала и оттягивать верхнюю, уменьшая деформацию зеркала при горизонтальном расположении его оси.
Однако с изменением наклона зеркала происходит деформация его поверхности из-за релаксации напряжений в материале и из-за отличия условий разгрузки во время астрономических наблюдений от условий разгрузки при его обработке и контроля (другая технологическая оправа и контроль зеркала во время обработки с разгрузкой на ленте). Кроме того, боковые силы опоры на нижнюю часть зеркала и силы тяги на верхнюю часть должны быть направлены точно по прямой, проходящей через центр тяжести зеркала, что практически трудновыполнимо. Для радиального оттягивания зеркала и осевого оттягивания, которое необходимо, если зеркало располагается рабочей поверхностью вниз, требуется закреплять методом приклеивания металлические детали к зеркалу. Извлечение зеркала из оправы становится более сложным и более длительным. Оправа не может больше окружать зеркало, а принимает форму плато, причем масса зеркала с оправой как бы увеличивается, а жесткость уменьшается. Металлические элементы, приклеенные на край, опасно увеличивают ломкость зеркала, которая становится тем больше, чем тяжелее зеркало.
Перспективной является разгрузка крупногабаритных зеркал, сочетающая принцип механической разгрузки с пневматической. Наиболее близкой по сути решаемой задачи является система пневмомеханической разгрузки [3]. Для разгрузки зеркало располагается в оправе на механических опорах осевой разгрузки Гребба или на эластичных «пятаках». Полость между обратной стороной зеркала, оправы и боковой поверхностью зеркала герметизируется манжетой. Боковая поверхность зеркала опирается на радиальную разгрузку Гребба. Зеркало при горизонтальном расположении рабочей поверхностью вверх давит обратной стороной на опоры только своим весом. При изменении угла наклона производится отсос (не поддув!) воздуха из герметичного объема между обратной стороной зеркала, оправой и манжетой на такую величину, чтобы зеркало продолжало давить на опоры с силой, равной своему весу. И в вертикальном положении зеркала (ось его горизонтальна) избыточное внешнее (за счет отсоса) давление продолжает прижимать зеркало к осевым опорам с силой, равной его весу. При переходе к отрицательным углам наклона величина отсоса растет. В горизонтальном положении зеркала рабочей поверхностью вниз внешняя сила не только компенсирует вес зеркала (взвешенное состояние), но и осуществляет прижим зеркала к опорам с прежней силой веса. Таким образом, на рабочую поверхность зеркала должна действовать направленная по нормали к нему сила
где G - вес зеркала, α - угол его наклона, измеряемый между нормалью к рабочей поверхности зеркала и направлением в точку надира; 0≤α≤180°.
При такой разгрузке зеркало в оправе на телескопе находится в условиях, максимально приближенных к условиям в процессе оптической обработки, и деформации поверхности из-за релаксации напряжений не происходит. Однако при изменении давления в камере зеркало может изменить свое местоположение из-за трения в опорах Гребба осевой разгрузки или из-за изменения эластичности опор. При смещении зеркала его поверхность искажается из-за трения между боковой поверхностью зеркала и опорами радиальной разгрузки Гребба.
С целью уменьшения искажений поверхности зеркала при любом угле его наклона, положительном или отрицательном, в предлагаемом изобретении боковая сторона зеркала разгружается на радиальные опоры Гребба через ряд витков эластичного цилиндрического шнура, охватывающего витком к витку боковую поверхность зеркала поверх манжеты.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг.1 - система разгрузки зеркала оптического телескопа;
фиг.2 - иллюстрация эффективной работы системы разгрузки: интерферограмма и рассчитанные по ней искажения волнового фронта оптики Большого солнечного вакуумного телескопа Байкальской обсерватории.
На фигуре 1 в разрезе представлена система, в которой реализуется разгрузка зеркала телескопа.
Зеркало 1 в оправе 2 располагается на радиальной 3 и осевой 4 разгрузках. Манжета 5 герметизирует объем между задней поверхностью зеркала и оправой. Боковая поверхность зеркала прижимается составляющей силы его тяжести к радиальным опорам 3 через ряд витков эластичного цилиндрического шнура 6, охватывающих боковую поверхность зеркала поверх манжеты. Прижим зеркала к опорам осевой разгрузки 4 осуществляют путем уменьшения давления в герметичном объеме между задней поверхностью зеркала и оправой с помощью косинусного механизма 7 таким образом, что сила давления зеркала на осевые опоры всегда равна силе его тяжести.
Легкое скольжение зеркала в осевом направлении в той же оправе обеспечено витками эластичного шнура 6 между оправой и зеркалом. Витки скручиваются при скольжении зеркала. Дополнительно шнур уплотняет герметизирующую манжету 5, прикрепленную к зеркалу. Другой стороной манжета прикрепляется к оправе через кольцо 14, которое очень близко подходит к зеркалу, оставляя минимальный зазор для работы осевой разгрузки. Манжета при таком зазоре практически не деформирует зеркало через боковую поверхность из-за разности давлений воздуха в камере и снаружи. Давление в камере поддерживается ниже атмосферного на величину от 30 до 60 мм рт. ст. Система разгрузки может быть подключена к герметичной трубе вакуумного телескопа как к «источнику вакуума» или к отдельному насосу. В отличие от известных пневматических разгрузок система не нуждается в сжатом воздухе.
Условия осевой разгрузки мало изменяются при всех углах наклона. Поэтому можно снизить требования к жесткости зеркал и применять для изготовления зеркал напряженные и тонкие заготовки. Более того, наличие свилей в заготовках зеркала не приводит к отступлению от формы поверхности, заданной во время обработки. Зеркало, постоянно прижатое с силой веса к опорам, более устойчиво к вибрациям и ветровым нагрузкам, чем взвешенное. Благодаря прижиму зеркало при горизонтальном расположении его оптической оси не испытывает деформаций в верхней своей части и не нуждается в растягивающих рычажных устройствах. На фоне давления на опоры, равного весу заготовки, небольшие изменения давления воздуха в системе, вызванные возможными неточностями работы регулятора, практически не влияют на качество разгрузки.
На фигуре 2 представлены интерферограмма и рассчитанные по ней искажения волнового фронта оптики Большого солнечного вакуумного телескопа Байкальской обсерватории. Интерферограмма волнового фронта (в двойном ходе лучей) получена с искусственным источником света (длина волны λ=632.8 нанометра) в автоколлимационной схеме на телескопе при вакууме 10 мм рт. ст. В оптический тракт входят: объектив телескопа (Д=800 мм, F=40 м), входной и выходной плоскопараллельные иллюминаторы и плоское зеркало сидеростата диаметром 1 метр. Зеркало находится в оправе и направлено рабочей поверхностью вниз под углом α=38° вдоль полярной оси. Видимые на фотографии локальные искажения интерференционных полос связаны с зональной и локальной ретушью линз объектива. Круглое пятно - результат располировки вокруг воздушного пузыря в стекле на поверхности входного иллюминатора. Среднеквадратическое отклонение волнового фронта оптического тракта составляет 0.08λ, астигматизм - 0.05λ, кома - 0.37λ. Это свидетельствует о высоком качестве разгрузки зеркала в предложенной оправе.
При такой системе разгрузки технологическая оправа, в которой осуществляется оптическая обработка зеркала, впервые может быть без изменения использована как контрольная в оптическом цехе и как рабочая оправа зеркала будущего телескопа. В настоящее время стремятся к обеспечению условий полирования зеркал, соответствующих условиям работы их в обсерватории: разгрузка зеркала с полной имитацией разгрузки в оправе.
Источники информации
1. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. Москва, Наука, 1976, стр.385.
2. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. Москва, Наука, 1976, стр.389.
3. Авторское свидетельство СССР №1580310, Бюллетень Изобретений №27, 1990 г.
Система разгрузки зеркала оптического телескопа, содержащая механическую радиальную разгрузку и пневмомеханическую осевую разгрузку, при которой основание зеркала при любых углах наклона прижимается к осевым опорам с силой, равной весу зеркала, создаваемой за счет разрежения воздуха в камере, ограниченной задней поверхностью зеркала, оправой и герметизирующей манжетой, отличающаяся тем, что боковая сторона зеркала разгружена на радиальные опоры через ряд витков эластичного цилиндрического шнура, охватывающих боковую поверхность зеркала поверх манжеты и позволяющих зеркалу свободно перемещаться в осевом направлении.
