English 

Главная
Проекты АКЦ ФИАН:
РАДИОАСТРОН
МИЛЛИМЕТРОН
СУФФА (Узбекистан)

Структура АКЦ ФИАН:
Московская часть
ПРАО (Пущино)

Диссертационный совет
Ученый совет
Конференции
Астрономический совет
 





"Миллиметрон". Материалы для изготовления КТ.

Одной из важнейших проблем создания зеркал космического телескопа (КТ) «Миллиметрон» является сохранение заданной точности их отражающей поверхности при криогенных температурах в период эксплуатации телескопа. Решение этой проблемы зависит от возможности создания формостабильной конструкции. Одним из ответственных этапов решения этой задачи является выбор материала элементов КТ, поскольку он влияет на технологию изготовления и результирующие оптические характеристики.

Материалы, используемые в конструкции КТ должны обладать: высокими физико-механическими характеристиками, сохраняющими свои значения при криогенных температурах; малой плотностью и хорошими технологическими свойствами.

На рисунке 1 представлена схема требований к основным параметрам, определяющим выбор материалов для изготовления элементов КТ, который осуществляется исходя из условий обеспечения требований ТЗ к конструкции на различных этапах: при изготовлении, наземной отработке, выводе на орбиту и работе на орбите.


Рисунок 1


Материал для изготовления главного зеркала.


В ходе работ по выбору материала для изготовления главного зеркала телескопа обсерватории «Миллиметрон» был проведен анализ материалов, использованных при создании цельных и трансформирующихся (раскрывающихся) зеркал реализованных и разрабатываемых космических телескопов начиная с 1990 г. (таблица 1).


таблица 1

В таблице 2 приведены основные характеристики материалов, использованных в космических телескопах (таблица 1), опубликованные в открытой печати. Все величины получены при температуре 20?С, за исключением коэффициента температурного расширения при криогенной температуре (αк,).

таблица 2

где:
ρ - плотность;
α - коэф. линейного температурного расширения при температуре 20?С;
αкрио – коэф. линейного температурного расширения при криогенной температуре;
λ- коэффициент теплопроводности;
ср- удельная теплоемкость;
Е - модуль упругости.
ULE- ультралегкое стекло;
Астроситалл СО-115М -отечественный стеклокристаллический материал, полученный путем частично направленной кристаллизации стекол;
Углепластик КМУ-4Л- отечественный углепластик на основе среднемодульных углеродных волокон и эпоксидной смолы;
Высокомодульный углепластик- углепластик на основе высокомодульных углеродных волокон и эпоксидной смолы;

Анализ характеристик, приведенных в таблице 2, показывает, что из приведенных материалов по совокупности требованиий к основным параметрам (плотность и коэффициент линейного температурного расширения) для создания КТ «Миллиметрон» проходит только высокомодульный углепластик.

Зарубежные разработчики продемонстрировали возможность применения высокомодульного углепластика в космическом телескопе с микронной точностью отражающей поверхности, запущенном в 2009 г. (обсерватория PLANK) и имеющее зеркало телескопа, выполненное из высокомодульного углепластика.

Поэтому в качестве материала для изготовления главного зеркала КТ обсерватории «Миллиметрон» был принят разрабатываемый в настоящее время отечественный аналог зарубежного квазиизотропного высокомодульного углепластика на основе волокна М55j и цианэфирного связующего. Основные характеристики материала типа LTM 123/M55j для изготовления главного зеркала, полученные в ходе испытаний образцов приведены в таблице 3.


таблица 3

Кроме низких коэффициента температурного расширения и плотности, преимущество этого углепластика заключается в высокой производительности получения прецизионных поверхностей методом репликации. Например, прецизионная механообработка 1 м2 керамики или бериллия занимает примерно 7-8 месяцев, а длительность метода репликации составляет всего 2-5 дней.

Материал для изготовления вторичного зеркала .


Вторичное зеркало (ВЗ) зеркальной систелы телескопа обсерватории «Миллиметрон» диаметром 0.53 м, имеет гиперболическую форму поверхности с максимальной асферичностью 11.37 мм и точность отражающей поверхности 3 мкм (СКО).

Изготовление ВЗ из высокомодульного углепластика, применяемого при производстве ГЗ, является экономически нецелесообразным в связи с тем, что стоимость только оправки для его формирования (без учета стоимости изготовления самого зеркала) будет выше стоимости изготовления ВЗ из карбида кремния. Технология изготовления зеркал телескопов такого диаметра из карбида кремния в России существует. Принято решение ВЗ изготавливать из карбида кремния.

Материал для отражающей поверхности ГЗ и ВЗ

При выборе материала покрытия отражающей поверхности зеркал КТ учитывается множество требований, основными из которых являются:

  • сохранение характеристик материала покрытия во всем диапазоне рабочих температур;
  • обеспечение максимальной адгезии покрытия к материалу основы зеркала;
  • согласование КЛТР покрытия с КЛТР основы зеркала;
  • обеспечение на необходимом уровне твердости и химической инертности покрытия.

    Для создания отражающего слоя зеркал с полным отражением в настоящее время применяются металлические однослойные и многослойные покрытия. Наиболее распространенными из них являются алюминирование, серебрение и золочение.

    В настоящее время ведутся работы по созданию сверхпроводящих тонких пленок для применения в качестве покрытия зеркал КТ, которые можно рассматривать как альтернативу золочению. Однако при повышении температуры от 4.5К до 8-15К, пленки теряют свойство сверхпроводимости и их коэффициент отражения становится ниже чем у алюминия, серебра и золота.

    По совокупности свойств на данном этапе разработки в качестве отражающего покрытия для зеркал КТ целесообразно применить золото.

    Оно обладает наибольшей химической инертностью и пластичностью (среди металлов), что особенно важно при низких температурах от 300К до 4.5К, т.к. разница его КЛТР и материала подложки зеркала не приведет к растрескиванию первого. Золото имеет самый высокий из рассмотренных материалов коэффициент отражения.

    В дальнейшей работе предусматривается проведения серии испытаний образцов размеростабильного высокомодульного углепластика с выбранным покрытием отражающей поверхности зеркала при температуре 4.5 К с учетом толщины отражающего слоя и рабочих длин волн.

  • Материалы для изготовления силовых элементов

    В процессе работы над проектом были рассмотрены различные материалы для изготовления силовых элементов конструкции рефлектора КТ, включающих: каркасы лепестков, опорную конструкцию контррефлектора, опорную ферму рефлектора, опору систем охлаждения, каркасы теплозащитных экранов, переходную ферму, каркасы радиаторов, подкрепляющие и соединительные элементы.

    Основным требованием, предъявляемым к материалам этих элементов, является сохранение работоспособности в условиях криогенных температур. Для изготовления силовых элементов рефлектора, кроме металлических сплавов, применяемых в изделиях, работающих при низких температурах, рассматривалось применение композиционных материалов.

    Характеристики рассмотренных материалов для изготовления силовых элементов рефлектора приведены в таблице 4.


    таблица 4

    С учетом численных показателей приоритетных параметров материалов (в нашем случае плотности и коэффициента линейного температурного расширения) для использования при изготовлении стержневых силовых элементов принят разрабатываемый отечественный аналог (*) однонаправленного высокомодульного углепластика на основе волокна М55j и цианэфирного связующего типа LTM123, для узловых элементов - титан.

    Материалы для изготовления теплозащитных экранов


    В обсерватории «Миллиметрон» для достижения криогенных температур на криоэкране рефлектора порядка 20К используются пассивная система охлаждения, состоящая из 4-х двухслойных теплозащитных экранов (ТЭ), состоящих из каркасов и пленочного материала.

    Каркас теплозащитных экранов предполагается из высокомодульного углепластика.

    После анализа существующих пленочных материалов для ТЭ была выбрана металлизированная полиимидная пленка, характеристики которой приведены в таблице 5.


    таблица 5

    На стадии окончания этапа технического проекта обсерватории «Миллиметрон» принята комбинация материалов для изготовления основных конструктивных элементов КТ, приведенная в таблице 6.


    таблица 6

    Высокомодульный углепластик

    Опыт отработки главного зеркала телескопа PLANCK показал, что недостатки углепластиков могут быть успешно преодолены за счет соответствующих режимов термообработки, использования радиоотражающих покрытий, применения циановых связующих и высокомодульных углеродных волокон.



    Свойства углепластиков определяются свойствами углеродных волокон и полимерной матрицы.


    При выборе связующего для высокомодульных углепластиков решающими факторами являются:

  • минимальное количество равновесной влаги в материале;
  • минимальный уровень внутренних напряжений и стойкость к
  • микрорастрескиванию при захолаживании;
  • минимальная величина газовыделения при воздействии вакуума;
  • минимальная температура отверждения.

    В наилучшей степени этим условиям удовлетворяют цианэфирные и циансилоксановые связующие:
    Некоторые преимущества и недостатки углепластиков, а также пути минимизации недостатков приведены в таблице 7.


  • таблица 7

    Для отработки технологического процесса изготовления центрального зеркала в АКЦ ФИАН был изготовлен из высокомодульного углепластика полномасштабный параболический макет, пригодный для реализации метода сборного изготовления ЦЗ из отдельных секторов с их последующим соединением в единую конструкцию. Результаты технологического макетирования будут использованы при проектировании штатного сектора ЦЗ и технологической оснастки. На рисунках 2 и 3 приведены фотографии макета сектора ЦЗ с лицевой и тыльной сторон.

     
     
    ASL editor (часть 1)
    ASL editor (часть 2)
    ASL editor (часть 3)
    ASL самокалибровка (часть 1)
    ASL самокалибровка (часть 2)
    ASL редактор палитры
    Многочастотная
    обработка изображений
    UVX-формат
     
     
     
    Отчет о результатах обработки интерферометрических наблюдений на базе “Пущино - Радиоастрон” на волне 1.35 см
     
     
    РСДБ-наблюдения на однобазовом интерферометре “Пущино - Калязин”
     
     
    4-station ground based VLBI pre-launch test of "Radioastron" recording mode
     
     
    Comparision Ariadna and Caicif2 delay modeles
     
     
     
    Научная программа
    Орбита
    Состав обсерватории
    Материал для изготовления КТ
    Функциональные системы
    Приёмный комплекс