Компактные, отражающие и простые в изготовлении зеркала — ключевой компонент для развития астрономических технологий в космосе
Отражающие зеркала являются важным элементом большинства телескопов, однако их производство с необходимой точностью, особенно в больших масштабах, представляет собой сложную задачу.
В новой статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv исследователями из Великобритании, используется аддитивное производство для создания тонкого, гибкого и лёгкого зеркала из алюминия. Свойства зеркала анализируются, чтобы определить, будет ли оно полезно в таких приложениях, как CubeSats.
Проектирование зеркала
Перед тем как приступить к изготовлению реального зеркала, исследователи должны были принять несколько решений о его конструкции. В качестве решётки они решили использовать «раздельную внутреннюю решётку», которая внешне напоминает пчелиные соты. В ходе моделирования методом конечных элементов (FEA) было показано, что она является наиболее надёжной.
Команда также разработала монтажную конструкцию, в которой использовались четыре напечатанные печатные платы (PCB) в качестве монтажных стержней, что было частью общей конструкции шины CubeSat, к которой стремилась система.
Результаты моделирования и изготовление прототипов
При дальнейшем моделировании методом FEA исследователи обнаружили, что они могут снизить вес зеркала примерно на 56%, что близко к изначально запланированным 60%.
Затем они приступили к изготовлению пяти прототипов, которые были разработаны в форме кольца с внешним кольцом примерно 84 мм и внутренним — 32 мм. Печать была завершена с использованием стандартного процесса порошковой металлургии на лазерном столе, обычно используемого для 3D-печати металлов. В данном случае металлом был AlSi10Mg, типичный алюминиевый сплав, используемый в 3D-печати.
Однако, поскольку это зеркало предназначалось для использования в качестве зеркала, печать подверглась дальнейшей обработке. Два образца прошли горячее изостатическое прессование, при котором нагрев печати сопровождается приложением давления с целью снижения её пористости и повышения однородности поверхности.
Четыре образца были подвергнуты одноточечной алмазной обработке — методу постобработки, при котором с помощью точного токарного станка с алмазным покрытием удаляется верхний слой материала.
После постобработки образцы были проанализированы как внутри, так и снаружи. Для сканирования внутренних частей образца исследователи использовали рентгеновскую компьютерную томографию и обнаружили, что по всей структуре имеются небольшие поры, которые, по-видимому, образовались по пути движения лазера, использованного в процессе сплавления. Их плотность была выше по периметру, где лазер поворачивал.
Результаты анализа
Шероховатость поверхности является ключевым показателем для зеркал, используемых в телескопах, и у всех образцов она составила менее 8 нм. Однако образцы, подвергнутые горячему изостатическому прессованию, были немного более шероховатыми, чем образцы, обработанные алмазом.
Компромиссом стало то, что процесс горячего изостатического прессования действительно снизил пористость, сделав материал более прочным внутри. У зеркал, обработанных методом горячего изостатического прессования, также было более высокое общее значение интегрального рассеяния, вероятно, из-за их более высокой шероховатости поверхности, что также означает, что они не подходят для использования в телескопе.
На поверхности также были обнаружены царапины, по-видимому, вызванные сплавом титана и ванадия. Это может означать, что алюминиевый сплав, использованный в качестве сырья, мог быть непреднамеренно смешан с другим металлическим порошком.
Несмотря на эти трудности, процесс, описанный в статье, представляет собой шаг вперёд в разработке лёгких гибких зеркал, пригодных для использования с CubeSat. В будущем исследователи планируют нанести на поверхность оптическое покрытие из хрома, чтобы попытаться улучшить качество поверхности образцов. Они также проверят термическую гибкость системы, чтобы узнать, как она будет вести себя в реальных космических условиях.
По мере того как зеркала будут продвигаться по уровням готовности технологий, спрос со стороны растущего числа производителей CubeSat, которым потребуются недорогие, надёжные и лёгкие зеркала, будет увеличиваться.