Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН – головная организация в проекте новой космической обсерватории «Миллиметрон». Учёные Астрокосмического центра ФИАН сообщили о создании базовой технологии изготовления прецизионных панелей из углепластика для рефлектора телескопа «Миллиметрон». О подробностях этого технического решения рассказал старший научный сотрудник Отдела космических конструкций, к.т.н. Виктор Пышнов.                                                     

    Качество космических спутниковых систем напрямую зависит от точности технологического исполнения отражающей поверхности рефлекторов и от деформаций рабочих поверхностей рефлекторов, которые возникают от действия факторов хранения и эксплуатации. Для миллиметрового диапазона допускаемые отклонения составляют всего несколько микрон на характерном диаметре зеркала в несколько метров. Это определяет выбор материалов, конструкции и технологии изготовления рефлекторов.

    В качестве материалов могут рассматриваться только материалы с низким значением коэффициента теплового расширения, например, астроситалл, карбид кремния (телескоп Гершель), суперинвар, углепластики (телескоп Планк), органопластики и т.д. Для рефлекторов с активным адаптивным управлением может быть применен бериллий (проект JWST).

    В качестве технологии в большинстве случаев используется высокоточная механообработка, включая автоматизированные методы доводки поверхностей. В России для доводки зеркал из астроситалла используются станки серий АД и АПД. Данная технология очень трудоемка и дорогостояща и в России она может быть применена только к зеркалам из астроситалла. Астроситалл является хрупким материалом, он уступает углепластику по жесткости, массе, ударной прочности, к тому же Россия не владеет технологией получения облегченных зеркал, и в отношении России существует жесткое эмбарго на поставку астроситалловых зеркал (или заготовок) с облегчением более 50 %. Стоимость 1 м² прецизионной поверхности из карбида кремния или бериллия составляет от 1 млн. долларов, а технологический цикл изготовления 1 м² составляет примерно 1 год.

    Следующей технологией является формование рабочей поверхности из углепластика на прецизионной матрице. Данная технология обеспечивает минимальную трудоемкость и стоимость, но здесь проблемой является коробление углепластика от внутренних напряжений, вызванных погрешностями траекторий армирования и различными коэффициентами теплового расширения углеродного волокна и полимерной матрицы. Кроме этого, углепластик подвержен паразитным релаксационным и влажностным деформациям, а также растрескиванию полимерной матрицы при захолаживании. Однако, указанные проблемы принципиально решаемы, что доказывают проведенные нами исследования и успешная миссия криогенного телескопа Планк, главное зеркало которого изготовлено из углепластика.

    В России, таким образом, на сегодняшний день присутствует только одна технология изготовления размеростабильных конструкций, а именно, прецизионная обработка астроситалла, однако, основная проблема состоит в серьезных недостатках данного материала, в отсутствии технологии получения облегченных астроситалловых конструкций  и в чрезвычайной трудоемкости и дороговизне данной технологии.

    Допускаемые отклонения для главного зеркала обсерватории «Миллиметрон» составляют 10 микрон при диаметре главного зеркала 10 метров, при этом главное зеркало состоит из отдельных прецизионных панелей, которые устанавливаются на подвижных опорах – актуаторах.

    Мы видим решение поставленной задачи в том, чтобы использовать сильные стороны астроситалла и углепластика и нивелировать их недостатки. Это достигается тем, что углепластиковые конструкции будут формоваться на прецизионных матрицах из астроситалла, при этом отклонение поверхности матрицы от теоретической поверхности должно составлять менее микрона, что вполне достижимо для России.

    Суть инновации состоит в создании конструкции прецизионных панелей и технологии их изготовления из высокомодульного цианэфирного углепластика на матрицах из астроситалла, при этом технологическая погрешность изготовления поверхности составляет от 0 до 2 микрон, длительность изготовления одной панели  не более 1 месяца, а стоимость 1 м² не более 200 тыс. долларов, при этом конструкция превосходит ситалловую по жесткости в 2 раза, по массе легче в 1,7 раза. Углепластиковая панель легче панели из карбида кремния в 2 раза и в 40 раз выигрывает по температурной деформативности у бериллия

    Таким образом, дорогостоящая ситалловая матрица будет порождать сравнительно дешевые углепластиковые прецизионные поверхности, которые имеют ключевые конкурентные преимущества по стоимости, интегральной деформативности, массе, жесткости и трудоемкости изготовления как по сравнению с астроситаллом, так и по сравнению с карбидом кремния и бериллием. Эти преимущества должны обеспечить наилучшее соотношение цена/качество и успех на рынке суперточных космических антенн миллиметрового диапазона.

    В настоящее время создана базовая технология изготовления прецизионных панелей, которая состоит в следующем:

– изготовление прецизионной матрицы из астроситалла типа Zerodur или CO-115M c погрешностью поверхности RMS не более 1 микрона;

– специальное расчленение конструкции на оптимальные элементы с целью реализации высокоточной выкладки углеродного препрега на стеклокерамическую прецизионную матрицу по специальным траекториям с погрешностью не более 0,1 градуса;

– специальное прецизионное формование уложенного углепластикового пакета, которое исключает деформации коробления углепластика;

– специальная термообработка силового набора с целью подавления релаксационных деформаций;

– проведение ряда адаптивных мероприятий над изготовленной прецизионной панелью с целью минимизации паразитных сдвиговых и изгибных термоперемещений до уровня погрешности измерительных средств;

– сборка панелей в единое зеркало.

    Для отработки данной технологии создано экспериментальное производство и изготовлены экспериментальные образцы и технологические макеты прецизионных панелей (см. рисунки 1 и 2).

Рисунок 1. Общий вид макета прецизионной параболической панели со стороны силовых ребер

Рисунок 2. Экспериментальный образец плоской панели со стороны отражающей поверхности

    В результате проведённой работы получены все необходимые данные для рабочего проектирования и организации штатного производства прецизионных панелей для рефлектора «Миллиметрон». Установлено, что среднее квадратичное отклонение поверхности экспериментальной плоской панели по отношению к поверхности формующей кварцевой матрицы не превышает 3 мкм.

В. Жебит, АНИ "ФИАН-Информ"
по материалам АКЦ ФИАН

12.02.2013