ТРЕХСЛОЙНОЕ ОБЛЕГЧЕННОЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Советский патент 2006 года по МПК G02B5/08 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности, к конструкциям крупногабаритных облегченных лазерных зеркал для систем передачи генерируемых потоков светового излучения и способам их изготовления.

Предлагаемая конструкция может быть использована в качестве астрономического телескопа, работающего в сложных температурных условиях на земле и в космосе.

Возможность работы крупногабаритных лазерных зеркал в сканирующих комплексах или во внеземных условиях обусловливает необходимость разработки конструкционных элементов оптических систем с уменьшенными весовыми характеристиками. Основными требованиями, предъявляемыми к разрабатываемым облегченным зеркалам, являются сохранение ими высокой жесткости, термостабильности, однородности физико-механических и теплофизических свойств.

Известна двухслойная конструкция лазерных зеркал, состоящая из сплошного и перфорированного слоев с различной структурой облегчения в виде квадратных, шестиугольных или круглых отверстий.

Способ изготовления двухслойных конструкций включает либо отливку пластины оптического материала с последующей выборкой в ней материала со стороны тыльной поверхности с целью придания ей ячеистой структуры, либо литье материала в специальную форму, в которой сразу предусмотрено получение ячеистой структуры на тыльной стороне пластины, причем последнее предпочтительней с точки зрения экономии материала и снижения трудоемкости процесса.

И в том, и в другом случае конечной операцией является алмазное точение и полировка рабочей поверхности лазерного зеркала.

Недостатком двухслойных конструкций является наличие существенного запаса слабо вовлеченного в работу материала зеркала, что ухудшает весовые характеристики последнего, а также несимметричность конструкции, отрицательно сказывающаяся на термической стабильности зеркала и затрудняющая выбор оптимальной схемы разгрузки.

Кроме того, технология изготовления двухслойных перфорированных зеркал в случае применения операции механической обработки с целью выборки ячеистых пустот является достаточно трудоемкой и материалоемкой.

Наиболее близкое к заявляемому техническому решению и принятое за прототип является трехслойное облегченное зеркало симметричной конструкции с перфорированным заполнителем.

Технология изготовления данного зеркала, принятая за прототип, включает отливку пластины из оптического материала и затем механическую обработку с приданием ей сотовой структуры. Получаемая таким образом центральная ребристая конструкция с ортотропной структурой соединяется с рабочей и тыльной пластинами из оптического материала одним из известных методов - пайкой, склеиванием, оплавлением. После сборки некоторые ячейки могут быть открыты со стороны тыльной пластины для размещения соответствующих узлов, но отнюдь не по структурным соображениям. На последней стадии изготовления зеркала рабочая поверхность трехслойной конструкции подвергается алмазному точению и полировке с целью придания ей оптических свойств.

Трехслойная конструкция по сравнению с двухслойной позволяет при одинаковых геометрических и весовых параметрах обеспечить больший уровень жесткости, т.е. при одинаковых условиях разгрузки деформация зеркальной поверхности симметричной (трехслойной) конструкции оказывается меньше, чем несимметричной (двухслойной).

Недостатком трехслойной конструкции является наличие либо изолированных, либо плохо сообщающихся между собой за счет дренажных отверстий пустот, что существенно ухудшает термостабилизацию лазерного зеркала.

Существенным недостатком трехслойных конструкций зеркал является нетехнологичность их изготовления, связанная, во-первых, с механической выработкой внутренних пустот в заготовке наполнителя, а, во-вторых, с соединением предварительно подогнанных частей зеркала между собой, причем, используемый при безразъемной сборке частей зеркала промежуточный слой в виде припоя, клея и т.д. с иным, отличным от материала зеркала комплексом свойств, является непригодным для создания крупногабаритных лазерных зеркал.

Целью изобретения является снижение материалоемкости и повышение производительности процесса изготовления трехслойных металлических лазерных зеркал, улучшение их жесткостных и весовых характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что заполнитель лазерного зеркала выполнен в виде трехмерного стержневого каркаса, представляющего собой послойно уложенные и соединенные друг с другом отдельные металлические стержни прямоугольного сечения, в каждом отдельном слое расположенные на заданном расстоянии между собой и параллельно друг другу, тогда как стержни соседних слоев перекрещиваются, а находящиеся через слой параллельны друг другу, причем переход между слоями стержней и от стержневого заполнителя к пластине-зеркалу и пластине-подложке осуществляется без промежуточного слоя из инородного материала.

Способ изготовления такого зеркала реализуется методом литья по выжигаемой модели, когда в качестве модели берется точная копия трехслойного зеркала, выполненная из пенопласта.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что облегченное трехслойное зеркало по изобретению отличается тем, что его заполнитель представляет трехмерный стержневой каркас в виде послойно уложенных и соединенных друг с другом отдельных металлических стержней прямоугольного сечения с перекрестной укладкой стержней в соседних слоях и параллельной через слой, причем способ изготовления зеркала по выжигаемой модели обеспечивает получение зеркала как единого целого без каких-либо прослоек из инородного материала между частями зеркала (заполнителем и пластиной-зеркалом и пластиной-подложкой) и слоями заполнителя. Таким образом, заявляемое облегченное трехслойное лазерное зеркало и способ его изготовления соответствуют критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в области оптического приборостроения, в частности, металлооптики, позволило выявить в них признаки, отличающие зеркало и способ его получения от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "существенные отличия".

Пример реализации предлагаемого изобретения.

Из пенополистирольных гранул марки ПСВ-Л-1 дисперсностью 0,40-0,63 мм путем вспенивания при температуре 95°С в специальной оснастке получали двухъярусную решетку с размерами в плане 450×450 мм и высотой 10 мм. Решетка состоит из системы перекрещивающихся и соединенных между собой стержней квадратного сечения размером 5×5 мм, причем стержни верхнего слоя были перпендикулярны стержням нижнего слоя, образуя ячейку-пустоту размером 20×20 мм. Модель заполнителя получали склеиванием с помощью ацетона пяти решеток, в результате чего ее высота стала равной 49,8 мм. К основаниям модели заполнителя также с помощью ацетона приклеивали пластины шестигранной формы в плане из блочного пенополистирола марки ПСВ-Л-1 с диаметром описанной окружности 430 мм и высотой 14 мм (фиг.1). По двум углам одной из компактных пластин приклеивали по цилиндрическому стержни из пенополистирола диаметром 28 мм и длиной 50 мм, располагая их в плоскости пластины на одну сторону. Собранную таким образом трехслойную модель помещали в вертикальном положении в герметичный контейнер и засыпали окисью кремния с размером частиц 120-300 мкм так, чтобы пенополистироловые стержни выставлялись из песка на 40 мм. С целью повышения плотности утряски порошка окиси кремния внутри ортогонального стержневого каркаса засыпку вели при наложении на контейнер колебаний частотой 220 Гц. На каждый стержень из пенополистирола надевали литниковую воронку, закрывали контейнер крышкой, обеспечивая тем самым требуемую герметичность. Контейнер через кран, расположенный в нижней части, соединяли ресивером, из которого откачивали воздух. Контейнер подогревали до температуры 80°С, заливали в литниковую воронку алюминиевый сплав марки АМг6 с температурой расплава 750°С, открывали кран, создавая разрежение в контейнере и обеспечивая тем самым заполнение металлом пенополистироловой модели, которая при этом одновременно выгорала, а продукты термодеструкции удалялись в песок. После кристаллизации расплава трехслойную заготовку зеркала извлекали из контейнера с удалением дисперсного порошка.

В результате проведенных операций была получена литая трехслойная заготовка зеркала с заполнителем в виде стержневого каркаса.

Заготовку зеркала подвергали предварительной механической обработке, в процессе которой ей была придана шестигранная форма в плане с диаметром описанной окружности 420 мм, а компактные слои фрезеровали до толщины 7,0 мм.

Алмазное точение рабочей поверхности заготовки алюминиевого зеркала производили на станке МА 78 в течение 4,5 часов, в результате чего была достигнута шероховатость поверхности R_z порядка 1,6 мкм, а точность формы Δl составила 2,3 мкм. Полирование зеркала производили на станке марки ШПД-1000 с помощью водной суспензии на основе микропорошков синтетических алмазов в течение 4 часов. В результате последней операции была получена оптическая поверхность зеркала следующего качества:

шероховатость R_z, мкм - 0,025;

класс чистоты Р - V;

точность формы σ_ско, мкм - 0,3.

Вес полученного трехслойного зеркала был равным 10,51 кг. При разгрузке горизонтально расположенного зеркала на три опоры, находящиеся под углом 120° друг к другу на диаметре 242,2 мм, максимальный размах прогиба оптической поверхности составил 0,21 мкм. Трехслойное зеркало-прототип с шестиугольной структурой ребрения заполнителя для обеспечения сопоставительного значения прогиба 0,23 мкм при аналогичном размере в плане весит 12,56 кг. Таким образом, заявляемое зеркало на 16% легче, чем зеркало-прототип, и этот уровень облегчения не является предельно возможным.

Применение металлического заполнителя в виде трехмерного стержневого каркаса позволяет при соответствующем выборе размеров поперечного сечения и шага их расстановки в трех взаимно перпендикулярных направлениях обеспечить требуемое снижение весовых характеристик, а следовательно, и материалоемкости трехслойного зеркала при максимально возможном уровне его жесткости.

Существенным положительным моментом конструкции облегченного лазерного зеркала является технологичность его изготовления. В способе получения зеркала не требуется для облегчения заполнителя проведения механической обработки с целью удаления "лишнего" металла, а также нет необходимости в соединении заполнителя с внешними слоями зеркала. Последнее, в принципе, исключает наличие каких-либо промежуточных слоев между частями зеркала с отличными от материала зеркала свойствами, что повышает термостабильность такого лазерного зеркала, а также значительно снижает временные, материальные и энергетические затраты на изготовление зеркала.

Трехслойное облегченное металлическое лазерное зеркало содержит пластину-зеркало, пластину-подложку, жестко соединенные с облегченным ячеистым заполнителем. Заполнитель представляет трехмерный стержневой каркас в виде послойно уложенных и соединенных друг с другом отдельных металлических стержней прямоугольного сечения, расположенных в одном слое на заданном расстоянии между собой и параллельно друг другу. Стержни в соседних слоях перекрещиваются, а находящиеся через слой параллельны друг другу. Способ изготовления трехслойного облегченного лазерного зеркала включает в себя изготовление облегченного заполнителя и его соединение с пластиной-зеркалом и пластиной-подложкой с последующим приданием оптических свойств пластине-зеркалу. Изготавливают трехмерную пенопластовую стержневую модель заполнителя путем послойной укладки и соединения между собой решеток, состоящих из параллельно расположенных на заданном расстоянии друг от друга стержней прямоугольного сечения. Укладка производится таким образом, чтобы стержни последующего слоя были перпендикулярны стержням предыдущего слоя, образуя таким образом пустоты, соединяют модель заполнителя с компактными пенопластовыми слоями, заполняют пустоты модели дисперсным тугоплавким наполнителем при наложении колебаний. Пропитывают модель металлическим расплавом с последующей его кристаллизацией, затем удаляют наполнитель. Технический результат - снижение материалоемкости и повышение производительности процесса изготовления трехслойных металлических лазерных зеркал, улучшение их жесткостных и весовых характеристик. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Трехслойное облегченное металлическое лазерное зеркало, содержащее пластину-зеркало и пластину-подложку, жестко соединенные с ячеистым пакетом, отличающееся тем, что, с целью снижения веса при сохранении жесткости, ячеистый пакет выполнен в виде трехмерного стержневого каркаса из нескольких соединенных между собой слоев металлических стержней прямоугольного сечения, уложенных в каждом слое на одинаковом расстоянии параллельно друг другу, при этом стержни в соседних слоях перекрещиваются, а находящиеся через слой параллельны друг другу.2. Способ изготовления трехслойного облегченного металлического лазерного зеркала по п.1, включающий изготовление ячеистого пакета, соединение его с пластиной-зеркалом и пластиной-подложкой и последующую обработку поверхности пластины-зеркала, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса, изготавливают трехмерную пенопластовую стержневую модель ячеистого пакета путем послойной укладки и соединения между собой решеток из параллельно расположенных на определенном расстоянии друг от друга стержней прямоугольного сечения, при этом стержни последующего слоя перпендикулярны стержням предыдущего слоя, соединяют модель ячеистого пакета с пенопластовыми моделями пластины-зеркала и пластины-подложки, заполняют пустоты полученной модели трехслойного зеркала дисперсным тугоплавким наполнителем при воздействии вибрации, пропитывают модель трехслойного зеркала расплавом металла, который охлаждается и отвердевает, затем удаляют дисперсный тугоплавкий наполнитель.