ОБЛЕГЧЕННОЕ ЗЕРКАЛО КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА
LIGHTWEIGHT MIRROR OF SPACE TELESCOPE

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в космических телескопах.
Известно облегченное зеркало в соответствии с авторским свидетельством СССР №617759, МПК G02B 5/08, опубликованным 30.07.1978 г. Оно представляет собой облегченное оптическое зеркало, выполненное в виде монолитного блока с отражающими рабочей и тыльной поверхностями, в последней из которых выполнены расположенные регулярно отверстия, сообщающиеся с соосными с ними цилиндрическими полостями. Данное зеркало имеет недостатки, связанные с высокой сложностью обработки внутренней структуры облегчения, сложностью предназначенного для этого инструмента и необходимостью использования инструментов разного размера при изготовлении структуры облегчения одного зеркала. Кроме того, зеркало не обладает достаточной прочностью и жесткостью конструкции.
Также известно облегченное оптическое зеркало в соответствии с патентом РФ №2106664, МПК G02B 5/08, опубликованным 10.03.1998 г., представляющее собой монолитный блок с центральным отверстием и отражающей рабочей и тыльной поверхностями, в последней из которой выполнены облегчающие отверстия, расположение которых имеет радиально-кольцевую структуру. Зеркало имеет Т-образную форму меридионального сечения, при этом тыльная сторона неразъемно соединена с тонкой пластиной. Данное зеркало не может быть внеосевым и не может быть использовано в телескопах с эксцентрично расположенным полем изображения. Кроме того, при изготовлении данного зеркала возникают значительные технические сложности, связанные с необходимостью обработки внешнего и внутреннего Г-образных контуров зеркала. К тому же технология производства зеркала дополнительно усложняется из-за необходимости соединения тыльной поверхности зеркала с тонкой пластиной. Наличие тонкой пластины удорожает производство зеркала из-за необходимости изготовления дополнительной высокоточной детали.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является облегченное зеркало в соответствии с патентом США №4678293, МПК G02B 5/10, G02B 7/18, опубликованным 07.07.1987 г. Оно представляет собой зеркало с неплоской отражательной поверхностью, выполненное из оптического материала и имеющее ячейки структуры облегчения, сформированные таким образом, что центры масс окружающих ячейки частей зеркала лежат практически в той же плоскости, что и центр масс всего зеркала, причем оси симметрии ячеек структуры облегчения параллельны оптической оси облегченного зеркала и параллельны между собой. Ячейки облегчения имеют сотовую шестиугольную конфигурацию. Тыльная поверхность зеркала выполнена плоской с цилиндрическими вырезами, предназначенными для получения ячеек структуры облегчения. Отражающая поверхность зеркала может быть как выпуклой, так и вогнутой, а расстояния между ячейками и тыльной и рабочей поверхностями не являются постоянными и постепенно изменяются по мере удаления от центра зеркала к его краю. Зеркало может иметь размер от 2 до 3 метров и закрепляется в конструкции телескопа с помощью боковых контактных опор, расположенных по внешнему краю зеркала и лежащих в плоскости его центра масс. Облегченное зеркало является симметричным относительно своей оптической оси и имеет цилиндрическое отверстие в центральной зоне. Однако данное техническое решение обладает недостаточной степенью облегчения из-за неравномерности расстояний между ячейками и рабочей и тыльной поверхностями, а также сложной технической реализацией крепления зеркала в конструкции телескопа. Поскольку зеркало является осесимметричным, оно не может быть использовано в объективах телескопов с эксцентрично расположенным полем изображения без дополнительных усложняющих конструкцию зеркала доработок.
Задачей данного изобретения является создание внеосевого облегченного зеркала космического телескопа с высокой степенью облегчения при высоких жесткостных и прочностных характеристиках.
Технический результат - создание облегченного зеркала космического телескопа, выполненного в виде внеосевого фрагмента осесимметричного зеркала, имеющего коэффициент облегчения (отношение массы облегченного зеркала к массе необлегченного) 0,5, коэффициент запаса прочности 3, деформации рабочей поверхности зеркала в рабочем положении 0,03 мкм.
Это достигается тем, что в облегченном зеркале космического телескопа, выполненном из оптического материала, имеющего отражающую рабочую поверхность и плоскую тыльную поверхность, в которой выполнены вырезы, предназначенные для получения ячеек структуры облегчения, причем оси симметрии ячеек структуры облегчения параллельны оптической оси облегченного зеркала и параллельны между собой и по крайней мере одни из них выполнены в виде сотовой шестиугольной структуры так, что входное цилиндрическое отверстие для обрабатывающей фрезы, равное по глубине расстоянию от внутренней поверхности ячейки структуры облегчения до тыльной поверхности облегченного зеркала, по диаметру совпадает с диаметром фрезы, но при этом меньше по поперечным размерам, чем сама ячейка структуры облегчения, в отличие от известного добавлены ячейки структуры облегчения с входным отверстием, совпадающим по размерам и форме с размерами и формой самой ячейки структуры облегчения, при этом расстояние между каждой ячейкой структуры облегчения и тыльной поверхностью облегченного зеркала постоянно, и расстояние между каждой ячейкой структуры облегчения и рабочей поверхностью облегченного зеркала также постоянно, причем, по крайней мере, три ячейки структуры облегчения выполнены с возможностью крепления облегченного зеркала, а ребра структуры облегчения, образующие внешний контур облегченного зеркала, выполнены с большей толщиной, чем ребра структуры облегчения, расположенные внутри облегченного зеркала.
При этом в рабочем положении облегченного зеркала положение его оптической оси может быть горизонтальным или вертикальным, а само облегченное зеркало может быть выполнено в виде внеосевого фрагмента осесимметричного зеркала. Кроме того, отражающая рабочая поверхность облегченного зеркала может быть выполнена вогнутой, выпуклой или плоской, а плоская тыльная поверхность зеркала может быть выполнена отражающей.
На фиг. 1 представлена конструкция облегченного зеркала.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение облегченного зеркала.
Облегченное зеркало космического телескопа (фиг. 1) выполнено в виде внеосевого фрагмента осесимметричного зеркала, имеющего восьмиугольную форму поперечного сечения и изготовленного из монолитного куска ситалла, в котором путем фрезерования формируются структуры облегчения. Облегченное зеркало состоит из лицевой пластины 1, тыльной пластины 2, системы ребер 3, имеющих определенную толщину, и ячеек структуры облегчения, характеризующихся определенными поперечными размерами и глубинами. Лицевая пластина 1, сформированная в облегченном зеркале, имеет постоянную толщину. Тыльная пластина 2, сформированная в облегченном зеркале, выполняется также с постоянной толщиной и служит для повышения прочности и стабилизации рабочего температурного режима облегченного зеркала в условиях эксплуатации. Система ребер 3 формирует внутренний силовой каркас облегченного зеркала, обеспечивая сохранение его прочности и жесткости при значительном снижении массы по сравнению со сплошным зеркалом. Толщина ребер 3 постоянна по всему поперечному сечению облегченного зеркала, за исключением ребер, образующих его внешний контур и создающих внешний силовой каркас. При этом толщина внешнего силового каркаса выполняется постоянной по всему периметру облегченного зеркала и отличается от толщины ребер 3 внутреннего силового каркаса не более чем на 2 мм в сторону увеличения.
В облегченном зеркале имеется три типа ячеек структуры облегчения. Часть ячеек структуры облегчения (фиг. 2) - это ячейки первого типа, выполненные в виде сотовой шестиугольной структуры, например с 4 по 17, которые выполняются таким образом, что фреза заводится в толщу облегченного зеркала через узкое цилиндрическое отверстие, глубина которого равна толщине тыльной пластины 2, а затем фрезерует внутри облегченного зеркала необходимую по форме и размерам часть ячеек первого типа структуры облегчения, выполненных в виде сотовой шестиугольной структуры, превышающую по размерам диаметр входного цилиндрического отверстия и отличающуюся от него по форме. При получении ячеек первого типа структуры облегчения облегченного зеркала фреза сначала обрабатывает цилиндрическое отверстие, равное по размеру диаметру фрезы, при этом ось вращения фрезы параллельна оптической оси облегченного зеркала и совпадает с осью симметрии ячеек первого типа структуры облегчения, а затем фреза получает смещение, перпендикулярное оси симметрии ячеек первого типа структуры облегчения, чтобы образовать нужную (например, шестиугольную) форму поперечного сечения, а также обеспечить необходимые значения толщин рабочей 1 и тыльной 2 пластин, причем оси симметрии ячеек структуры облегчения параллельны оптической оси облегченного зеркала и параллельны между собой. В результате данных операций получается, что ячейки первого типа структуры облегчения имеют переменную глубину, при вогнутой рабочей поверхности облегченного зеркала постепенно возрастающую по мере удаления от оптической оси зеркала к его краю. Другая часть ячеек структуры облегчения - это ячейки второго типа (фиг. 2), с 18 по 31, - выполняются фрезой, создающей ячейки необходимой формы и размеров непосредственно внутри материала облегченного зеркала, не фрезеруя при этом входного цилиндрического отверстия, а входное отверстие совпадает по размерам и форме с размерами и формой самой ячейки структуры облегчения. При этом по крайней мере три ячейки (фиг. 2) третьего типа - ячейки 32, 33, и 34 - выполнены таким образом, чтобы обеспечить возможность крепления облегченного зеркала в конструкции телескопа. Крепление может быть, например, байонетного типа. Кроме того, расстояния между каждой ячейкой структуры облегчения и тыльной поверхностью 2 облегченного зеркала и расстояния между каждой ячейкой структуры облегчения и рабочей поверхностью 1 облегченного зеркала являются постоянными.
Рабочее положение облегченного зеркала может быть как горизонтальным, так и вертикальным. Наименьшие значения деформаций рабочей поверхности 1 облегченного зеркала под действием силы тяжести достигаются при его вертикальном положении и составляют 0,03 мкм, причем отражающая рабочая поверхность 1 облегченного зеркала может быть выполнена вогнутой, выпуклой или плоской. Тыльная поверхность 2 облегченного зеркала допускает нанесение на нее отражающего покрытия для стабилизации рабочего температурного режима облегченного зеркала в условиях эксплуатации.
Облегченное зеркало космического телескопа может быть частью оптической схемы и во время работы телескопа отражать и направлять попадающее излучение в остальные части оптической схемы или в приемник излучения.
В соответствии с предложенным техническим решением разработано облегченное зеркало космического телескопа. Оно имеет следующие параметры:
- габаритные размеры зеркала 305×137×43 мм;
- толщина лицевой пластины 5,5 мм;
- толщина тыльной пластины 6 мм;
- глубина ячеек 37,65-44,8 мм;
- толщина зеркала по центру 54 мм;
- толщина ребра 4 мм;
- толщина внешнего каркаса 6 мм;
- поперечный размер ячейки шестиугольной формы 41,3 мм;
- масса зеркала: 2,1 кг;
- коэффициент облегчения: 0,48;
- коэффициент запаса прочности: 3;
- деформаций рабочей поверхности зеркала под действием силы тяжести: 0,03 мкм.
Таким образом, создано облегченное зеркало космического телескопа, имеющее максимальный размер не более 0,6 м, массу 2,1 кг, коэффициент облегчения 0,48, обладающее высокими прочностными и жесткостными параметрами, характеризующимися коэффициентом запаса прочности 3 и деформациями рабочей поверхности не более 0,03 мкм. Облегченное зеркало может использоваться в космических телескопах как с внеосевым, так и с осесимметричным полем изображения и обеспечит получение высокого качества изображения в любой оптической системе, в которой оно будет применено.