Việc lựa chọn vật liệu cho cấu trúc hỗ trợ gương khẩu độ lớn-đang chuyển từ Invar và C-SiC sanghợp kim titan. Nhờ đặc tính biến dạng cực thấp, hợp kim titan đang trở thành vật liệu được lựa chọn cho các cấu trúc này.
Tại sao hợp kim Titan? Một số liệu quan trọng bị bỏ qua
Khi khẩu độ của kính thiên văn thiên văn ngày càng lớn hơn, yêu cầu về độ chính xác của hình ảnh bề mặt đang vượt quá giới hạn vật lý. Đối với gương chính của kính thiên văn sóng hấp dẫn dựa trên không gian-, độ chính xác bề mặt cần thiết là RMS Nhỏ hơn hoặc bằng λ/50-có nghĩa là độ lệch bề mặt phải được kiểm soát trong phạm vi chỉ hơn 10 nanomet. Ở quy mô này, ngay cả sự lệch chiều nhỏ nhất trong cấu trúc hỗ trợ cũng bị phóng đại thành biến dạng hình ảnh. Khi lựa chọn vật liệu cho các kết cấu như vậy, thông lệ thông thường tập trung vào mật độ, mô đun Young và hệ số giãn nở nhiệt. Tuy nhiên, trong bối cảnh cụ thể này, một thước đo cơ bản hơn sẽ phát huy tác dụng: sức mạnh lợi suất vi mô. Trong khi cường độ chảy tiêu chuẩn mô tả ứng suất mà tại đó vật liệu trải qua biến dạng dẻo đáng kể, thì cường độ chảy{12}vi mô đo lường ứng suất mà vật liệu có thể chịu được trong khi chỉ chịu biến dạng dư ở mức một phần triệu. Quá trình sàng lọc vật liệu do Viện tưởng niệm Battelle thực hiện cho Trung tâm bay không gian Goddard của NASA đã tiết lộ rằng, trong số rất nhiều ứng cử viên, hợp kim titan Cấp 5 (GR5) mang lại tỷ lệ cường độ vi-trên mật độ cao nhất, với cường độ năng suất vi mô khoảng 480 × 10⁶ N/m². Các kết cấu đỡ phải chịu trọng lượng của cụm gương trong thời gian dài; nếu vật liệu trải qua quá trình rão dẻo liên tục, không thể đảo ngược ở cấp độ vi mô, thì hình dạng bề mặt của gương sẽ từ từ "trôi". Đối với một kính thiên văn được thiết kế để hoạt động ổn định trong nhiều năm, sự trôi dạt như vậy có hại hơn nhiều so với sự biến dạng tức thời. Cuối cùng, giá trị của hợp kim titan nằm ở khả năng duy trì sự ổn định về kích thước trong suốt thời gian sử dụng.
Điều kiện vận hành nhiệt: Kết hợp CTE chỉ là điểm khởi đầu
Duy trì hình dạng bề mặt chính xác trong các điều kiện nhiệt khác nhau là thách thức cốt lõi trong thiết kế giá đỡ gương. Hợp kim titan loại 5 (GR5) có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) xấp xỉ 9,1 × 10⁻⁶ K⁻¹, mật độ 4,4 g/cm³ và mô đun đàn hồi khoảng 109 GPa. So với vật liệu tổng hợp Invar hoặc cacbon/silicon cacbua, CTE của GR5 không đặc biệt thấp. Tuy nhiên, việc lựa chọn vật liệu kỹ thuật không bao giờ là một cuộc cạnh tranh dựa trên một thước đo duy nhất. Trong thiết kế hỗ trợ trung tâm cho gương chính bằng gốm thủy tinh Φ500 mm{12}}, cả ống lót và ống bọc hỗ trợ đều được làm bằng hợp kim titan, có lớp dính linh hoạt nối thân gương với cấu trúc hỗ trợ. Các mô phỏng chỉ ra rằng dưới sự thay đổi nhiệt độ đồng đều 40 độ, độ chính xác số liệu bề mặt (RMS) vẫn nằm trong khoảng 4,2 nm và tần số cơ bản của tổ hợp vượt quá 53 Hz. Ở đây, lớp dính đóng vai trò then chốt: nó làm giảm tải trọng của gương đồng thời hấp thụ ứng suất nhiệt do sự không khớp CTE giữa hợp kim titan và gốm thủy tinh. Giá trị của hợp kim titan GR5 không nằm ở việc có CTE "tối ưu" mà nằm ở việc cho phép-thông qua thiết kế giao diện hợp lý{22}}kiểm soát ứng suất nhiệt trong giới hạn có thể chấp nhận được đồng thời cung cấp đủ độ cứng kết cấu. Điều này thể hiện cách tiếp cận kỹ thuật ở cấp hệ thống{24}}chứ không phải là sự thay thế vật liệu đơn giản.
Hai cấu hình: Bản lề uốn và kết cấu lưới tích hợp
Về mặt thiết kế cấu trúc cụ thể, hợp kim titan được sử dụng trong các hệ thống đỡ gương ở nhiều dạng, với các cấu hình cấu trúc khác nhau phản ánh các triết lý thiết kế riêng biệt. Bản lề uốn cong-sử dụng tính linh hoạt để khắc phục độ cứng. Trong dự án kính thiên văn đo lường chính xác dài 1,93-m do Viện Quang học & Công nghệ Thiên văn Nam Kinh (NIAOT), Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc chủ trì, nhóm nghiên cứu đã thay thế các vòng bi tự điều chỉnh-truyền thống bằng bản lề màng uốn cong Ti-6Al-4V (GR5){22}}. Việc sửa đổi này làm giảm lực ký sinh dọc trục trên gương chính từ 60 N xuống 2,5 N. Với giá đỡ bên hoạt động hoàn toàn, gương chính đạt được độ chính xác hình ảnh bề mặt là 4,15 nm RMS và 24 nm PV, luôn đáp ứng yêu cầu thiết kế của RMS Nhỏ hơn hoặc bằng λ/35 trong phạm vi nhiệt độ rộng từ -30 độ đến 30 độ . Sự kết hợp giữa độ bền chảy cao và mô đun đàn hồi tương đối thấp trong hợp kim titan cho phép bản lề uốn đạt được vị trí chính xác trong phạm vi đàn hồi mà không tạo ra ma sát hoặc phản ứng ngược. Cấu trúc lưới-và{29}}da tích hợp-giảm thiểu trọng lượng thông qua thiết kế rỗng. Đây là một trong những cách tiếp cận đột phá nhất trong những năm gần đây. Trong một dự án liên quan đến-gương không gian đúc hẫng lớn dành cho cảm biến từ xa trong ngành hàng không vũ trụ, Viện 508 thuộc Học viện Công nghệ Vũ trụ Trung Quốc (CAST) đã hợp tác với Đại học Shanghai Jiao Tong. Họ đã sử dụng tính năng tối ưu hóa cấu trúc liên kết để xác định cấu hình vĩ mô, sử dụng mạng tinh thể lập phương tập trung vào cơ thể (BCC) cho cấu trúc bên trong và lớp vỏ bên ngoài để bao bọc. Cấu trúc hỗ trợ thu được chỉ nặng 6,5 kg, giữ cho tổng khối lượng của cụm gương dưới 16,5 kg. Kết quả thử nghiệm cho thấy gương quay ít hơn 6 giây cung và độ dịch chuyển của vật rắn nhỏ hơn 0,02 mm - cả hai đều nằm trong dung sai đối với các lỗi căn chỉnh quang học.
Bản tóm tắt
Từ-độ bền năng suất vi mô và bản lề uốn cho đến cấu trúc dạng lưới in-3D, giá trị của hợp kim titan trong-hệ thống hỗ trợ gương khẩu độ lớn vượt xa sự thay thế vật liệu đơn thuần. Điều họ thực sự mang lại là tính khả thi về mặt kỹ thuật trong việc đạt được độ chính xác về hình ảnh bề mặt ở cấp độ nanomet-trong các điều kiện liên quan đến phạm vi nhiệt độ rộng và hoạt động-lâu dài. Đối với ngành công nghiệp titan, thành công trong lĩnh vực này không phụ thuộc vào năng lực sản xuất mà phụ thuộc vào khả năng chuyển các đặc tính vật liệu thành các giải pháp thiết kế kết cấu.
E-thư điện tử:garychen3215@hotmail.com
Địa chỉ: Số 35, Đường Baoti, thành phố Baoji, tỉnh Thiểm Tây, Trung Quốc
Liên hệ: Mr. Gary Chen
Điện thoại: +86-917-8883215
Thiết bị di động/WhatsApp: +86 13092900605
