Як роблять гігантські дзеркала для телескопів


 
Пустеля Атакама в Чилі — райське місце для астрономів. Унікальна чистота повітря, сприятливі атмосферні умови протягом року і вкрай низький рівень світлового забруднення роблять цей негостинний район ідеальним місцем для будівництва гігантських телескопів. Наприклад, телескоп E-ELT , під який вже готують будівельний майданчик . Однак це не єдиний масштабний проект подібного роду. З 2005 року ведуться роботи по створенню ще одного вражаючого астрономічного інструменту, Гігантського Магелланової Телескопа (GMT). Так він виглядатиме після закінчення будівництва в 2020 році:
 
 
 
В основі його оптичної системи лежить відображає поверхню з 7 величезних круглих дзеркал. Кожне діаметром 8,4 м і вагою 20 т. Само по собі виготовлення таких дзеркала, та ще й з необхідною точністю, представляє справжній інженерний шедевр. Як же створюються подібні вироби? Про це — під катом.
 
На поточний момент виготовлено два дзеркала, третє відлито і поступово охолоджується, четверте заплановано до відливання на кінець цього року. Виробничий процес розроблений фахівцями Лабораторією дзеркал обсерваторії Стюарда Університету Арізони (niversity of Arizona's Steward Observatory Mirror Lab).
 
Кожне дзеркало складається з великої кількості шестикутних сегментів, що дозволило в 5 разів знизити масу виробу в порівнянні суцільнолитим дзеркалом такого ж розміру. Заготовки з високоякісного боросилікатного скла виготовляються в Японії. Товщина сегментів не перевищує 28 мм, що позитивно впливає на умови експлуатації — таке дзеркало буде швидко приймати температуру навколишнього середовища, що запобігає виникненню коливань повітря у поверхні і спотворення зображення.
 
 
 
 
 Підложки для сегментів дзеркала.
 
Також полегшені конструкції самих дзеркал дозволить зібрати відбивну поверхню діаметром 25 метрів всього лише з 7 основних і 7 вторинних дзеркал. Це в рази полегшує управління і налаштування телескопа. Порівняйте це з 798 сегментами в проекті E-ELT.
 
 
 
Після укладання скляних заготовок на підкладки (1681 шт), зверху вся площа майбутнього дзеркала накривається величезною обертається піччю. Температура досягає 1178 градусів Цельсія, швидкість обертання печі — 5 оборотів в хвилину. В результаті сегменти сплавляються і утворюють єдиний скляний масив з параболічної формою поверхні. Обертання печі за рахунок відцентрової сили якраз і дозволяє грубо сформувати параболічну поверхню.
 
 
 
Після цього починається довгий процес контрольованого рівномірного охолодження, в тій же самій обертової печі. Він займає три місяці, щоб запобігти появі тріщин через занадто швидкого охолодження. По закінченні охолодження, майбутнє дзеркало акуратно знімається з термостійкої підкладки і переноситься на полірувальний стенд.
 
Далі починається ще більш тривалий і копіткий процес полірування дзеркала. На відміну від дзеркал сферичних, кривизна поверхні яких постійна, поліровка гігантського параболічного дзеркала найвищої точності являє собою дуже непросту задачу. У випадку з дзеркалами для ГМТ відхилення від сферичної форми склало 14 мм.
 
Взагалі, параболічні лінії і поверхні є, так би мовити, неприродними. Майже весь доступний і створюваний інструментарій так чи інакше пов'язаний з колами і сферами, тому вченим і технологам довелося поламати голову над поліруванням дзеркала.
 
 
 
Один з основних інструментів представляє собою обертовий диск діаметром близько 1 м, з дозаторами полірувальних речовин. Диск може переміщатися уздовж направляючої рейки, в той час як саме дзеркало обертається навколо осі на полірувальному стенді.
 
 
 
Це алмазний шліфувальний інструмент для основної обробки поверхні, призначений для вирівнювання більшості дефектів поверхні скла і додання сідлоподібної форми. Справа в тому, що в ході обертання рідке скло прийняло форму симетричної параболи, що є найбільш близьким наближенням. І для отримання сідлоподібної параболічної поверхні здійснюється кероване комп'ютером шліфування, в ході якого знімається 6-8 мм скла. Точність обробки поверхні на даному етапі досягає 100 мікрон.
 
 
 
Далі починається полірування. Після кожного циклу полірування за допомогою інтерферометра проводиться вимір поверхні дзеркала. Лазерним променем сканується вся площа дзеркала, а різні відхилення відбитого променя на опуклостях і западинах фіксуються і складається карта дефектів. Дозвіл інтерферометра становить близько 5 нанометрів.
 
На підставі складеної карти дефектів комп'ютер управляє інструментами в ході подальшого циклу полірування, витрачаючи більше часу або застосовуючи більший тиск при обробці конкретних ділянок. Для точкового виправлення які виявляються одиночних дефектів також використовувалися полірувальні круги діаметром від 10 до 35 см з досить гнучкими підошвами, що повторюють кривизну поверхні дзеркала.
 
Для задач, які виконуватиме телескоп, допускається наявність дефектів поверхні не більше 25 нанометрів. І добитися цього дуже непросто. Поліровка першого дзеркала в підсумку зайняла близько року.
 
 
 
 
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.