УСТРОЙСТВО КРЕПЛЕНИЯ ЗЕРКАЛА ТЕЛЕСКОПА

Телескопостроение для крепления зеркал крупногабаритных телескопов, в частности космических.
Устройство предназначено в первую очередь для крупногабаритных космических телескопов, оптические и конструкционные элементы которых изготовлены из разных композитных материалов с отличающимися температурными коэффициентами линейного расширения, а зеркала выполнены с применением открытой структуры облегчения с тыльной стороны.
Уровень техники
Известные аналоги:
Известно устройство крепления зеркала телескопа [свидетельство на полезную модель РФ №34761 кл. G02В 7/18 опубл. 2003], содержащее основание с тремя равномерно расположенными по окружности стойками и опорами в виде валов со сферическими головками, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси зеркала и проходящей через его центр масс. Устройство дополнительно снабжено тремя парами пружин, кинематически связанных с зеркалом и соответствующими ползунами. Оси трех пружин расположены в плоскости, перпендикулярной, оптической оси зеркала, а оси трех других пружин - параллельно оптической оси зеркала. Стойки жестко закреплены на основании, а оси установленных на них опор находятся в одной плоскости и пересекают ее в точке, совпадающей с центром масс зеркала.
Недостатком данного решения является способ крепления зеркала за боковую поверхность путем выполнения в этой поверхности глухих или сквозных отверстий под втулки для опор, при котором уменьшается прочность зеркала и его способность противостоять нагрузке, направленной вдоль оси зеркала.
Кроме того, способ крепления зеркала за боковую поверхность не может быть использован для крупногабаритных зеркал большого диаметра, выполненных из композитных материалов с применением открытой структуры облегчения с тыльной стороны. При таком способе крепления велика вероятность разрушения зеркала под воздействием нагрузки, направленной вдоль его оси.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство крепления зеркала телескопа [патент РФ №2035759 кл. G02В 7/18, опубл. 1995].
Устройство крепления зеркала телескопа, содержащее основание с тремя шаровыми опорами, равномерно расположенными по окружности и перпендикулярными оси зеркала. Опоры жестко установлены на ползунах, которые имеют возможность перемещения в соответствующих направлениях благодаря шарикам, установленным между ползуном и соответствующими ему направляющими, жестко соединенными с основанием.
Оси направляющих пересекаются в одной точке, лежащей на оси зеркала, и расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси зеркала. Центры сферических головок шаровых опор расположены по окружности в плоскости, проходящей через центр масс зеркала и перпендикулярной оси зеркала.
Недостатком данного решения является наличие в рабочей поверхности зеркала сквозных отверстий под втулки для шаровых опор, при котором уменьшается площадь рабочей поверхности зеркала и его жесткость как способность противостоять нагрузке, направленной вдоль оси зеркала.
Кроме того, способ крепления зеркала с использованием сквозных отверстий не всегда может быть использован для крупногабаритных зеркал большого диаметра, выполненных из композитных материалов с применением открытой структуры облегчения с тыльной стороны. При таком способе крепления необходимо вносить дополнительные упрочняющие элементы в конструкцию структуры облегчения, что приведет к увеличению массы зеркала.
Раскрытие сущности
Основной задачей полезной модели является компенсация температурных деформаций зеркала, выполненного из композитного материала с применением открытой структуры облегчения с тыльной стороны, и вызванной разницей в температурных коэффициентах линейного расширения зеркала и основания несущей конструкции, выполненного из другого композитного материала, без уменьшения прочности зеркала.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство крепления зеркала телескопа, которое, как и наиболее близкое к нему, выбранное в качестве прототипа, содержит основание с тремя равномерно расположенными по окружности держателями с шарнирами со сферическими головками, а центры сферических головок шарниров расположены в плоскости, проходящей через центр масс зеркала и перпендикулярной оси зеркала, дополнительно установлены с возможностью перемещения в соответствующих направлениях при помощи шести пар сферических шайб, через которые держатели закреплены на основании при помощи гаек. Для выборки люфта и регулировки усилия, вызывающего перемещение держателей относительно основания, между парами сферических шайб, расположенных с тыльной стороны основания, и поверхностью основания установлены пружинные шайбы, степень сжатия которых регулируется усилием затягивания гаек, при помощи которых держатели закреплены на основании.
Держатели с шарнирами со сферическими головками соединены с зеркалом при помощи втулок, вклеенных в гнезда, специально предусмотренные конструкцией открытой структуры облегчения, и закрепленные в этих втулках при помощи вкладышей со сферической поверхностью. Центры сферических головок шарниров расположены по окружности, радиус которой равен радиусу расположения точек максимального прогиба зеркала в плоскости, перпендикулярной его оси, под воздействием осевой нагрузки.
Сущность полезной модели заключается в том, что благодаря наличию трех держателей с шарнирами со сферическими головками, установленными с возможностью перемещения в соответствующих направлениях относительно основания при помощи шести пар сферических шайб, а также тому, что центры сферических головок шарниров расположены в плоскости, проходящей через центр масс зеркала и перпендикулярной оси зеркала и центры сферических головок шарниров расположены по окружности, радиус которой равен радиусу расположения точек максимального прогиба зеркала в плоскости, перпендикулярной его оси, под воздействием осевой нагрузки, а для выборки люфта и регулировки усилия, вызывающего перемещение держателей и шарниров устройство снабжено пружинной шайбой с гайкой со стороны основания и вкладышами с резьбовой втулкой со стороны зеркала, которое не имеет сквозных отверстий для установки держателей с шарнирами, что особенно важно для решения задачи компенсации температурных деформаций в диапазоне температур ±50°С.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленную задачу.
Предлагаемое устройство крепления зеркала, выполненного из композитного материала с применением открытой структуры облегчения с тыльной стороны и используемого в космическом телескопе, иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
Чертежи
На фиг. 1 представлен общий вид на зеркало телескопа, выполненное из композитного материала с применением открытой структуры облегчения с тыльной стороны, со стороны открытой структуры облегчения; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 и разрез основания с установленной опорой; на фиг. 3 - вид Б на фиг. 2 - конструкция держателя с шарниром со сферической головкой.
На фиг. 2 и 3 представлено предлагаемое устройство крепления зеркала телескопа, содержащее зеркало 1, основание 2, три втулки 3, три шарнира 4, три держателя 5, шесть шайб сферических 6, шесть шайб сферических 7, три вкладыша 8, три вкладыша 9, три втулки 10, три втулки 11, три шайбы 12, три шайбы пружинных 13, три гайки 14, шесть винтов 15.
Зеркало 1 (фиг. 1, 2) установлено на основании 2 (фиг. 2) с помощью трех держателей 5 с шарнирами 4, которые равномерно расположены по окружности, радиус которой равен радиусу расположения точек максимального прогиба зеркала 1 в плоскости, перпендикулярной его оси, под воздействием осевой нагрузки.
В зеркало 1 в специально предусмотренные в ребрах открытой структуры облегчения гнезда 1 (фиг. 1) вклеены три втулки 3 (фиг. 3), в которые устанавливаются шарниры 4. Сферические головки шарниров 4 непосредственно контактируют своей сферической поверхностью со сферическими поверхностями вкладышей 8 и 9, расположенных во втулках 3, через которые осуществляется соединение шарниров 4 с зеркалом 1.
Центры сферических головок шарниров 4 расположены в плоскости, проходящей через центр масс зеркала 1 и перпендикулярной его оси, и отстоят от центра зеркала 1 на расстояние, равное радиусу окружности, по которой расположены точки максимального прогиба зеркала в плоскости, перпендикулярной его оси, под воздействием осевой нагрузки.
Выборка люфта между шарнирами 4 и вкладышами 8 и 9 и регулировка усилия, вызывающего перемещение шарнира 4 относительно вкладышей 8 и 9, осуществляется затягиванием втулки 10, вворачиваемой по резьбе во втулку 3 и стопорящейся винтами 15 после завершения регулировки.
Держатели 5 жестко связаны с шарнирами 4 (фиг. 3) при помощи резьбового соединения. Держатели 5 установлены с возможностью перемещения в соответствующих направлениях относительно основания 2 при помощи пар сферических шайб 6 и 7 и закреплены на основании 2 гайками 14 через пружинные шайбы 13.
Пары сферических шайб 6 и 7 обеспечивают перемещение держателей 5 с шарнирами 4 по сферической поверхности шайб 6 и 7относительно основания 2.
Устройство работает следующим образом.
В процессе эксплуатации телескопа происходит изменение температурного поля. При этом размеры зеркала 1, выполненного из композитного материала, и основания 2, выполненного из другого композитного материала, из-за различных значений температурных коэффициентов линейного расширения изменяются неодинаково. Коэффициент линейного расширения материала основания меньше коэффициента линейного расширения материала зеркала.
Например, при повышении температуры зеркало 1 и основание 2 нагреваются и их линейные размеры увеличиваются, но на разную величину. При этом шарниры 4 начинают поворачиваться во вкладышах 8 и 9 относительно втулок 4, жестко связанных с зеркалом 1. Центры сферических головок шарниров 4 расположены в плоскости, проходящей через центр масс зеркала 1 и перпендикулярной оси зеркала, и через равные промежутки по окружности, радиус которой равен радиусу расположения точек максимального прогиба зеркала в плоскости, перпендикулярной его оси, под воздействием осевой нагрузки.
В свою очередь держатели 5, жестко связанные с шарнирами 4, при повороте шарниров 4 начинают перемещаться в соответствующих направлениях относительно основания 2 при помощи сферических шайб 6 и 7.
Выборка люфта между шарнирами 4 и вкладышами 8 и 9 втулок 3, вклеенных в зеркало 1, и регулировка усилия, вызывающего перемещение шарниров 4 относительно вкладышей 8 и 9, осуществляется затягиванием втулки 10, вворачиваемой по резьбе во втулку 3.
Выборка люфта и регулировка усилия, вызывающего перемещение держателей 5 относительно основания 2, достигается применением пружинных шайб 13 с тыльной стороны основания 2.
Таким образом, происходит перемещение зеркала 1 относительно основания 2, вызванное изменением температурного поля. При этом не происходит деформации зеркала 1 при изменении линейных размеров зеркала 1 и основания 2.
Аналогичный процесс происходит при уменьшении температуры.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает отсутствие температурных деформаций путем создания возможности свободного перемещения зеркала и основания относительно друг друга при изменении температурного поля, а установка зеркала на трех шарнирах с держателями, центры сферических головок которых расположены равномерно по окружности, радиус которой равен радиусу расположения точек максимального прогиба зеркала в плоскости, перпендикулярной его оси, под воздействием осевой нагрузки, обеспечивает необходимую жесткость предлагаемой конструкции крепления зеркала. Кроме того, предлагаемая конструкция проста, в связи с чем ее изготовление не вызывает особых трудностей.