Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 6

Transkrypt

1 Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 6 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne

2 ZWIERCIADŁO TELESKOPU Na podstawie Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998

3 Wymagania dotyczące zwierciadła Zwierciadło o średnicy 6 m (zrobione ze szkła pokrytego warstwą srebra o grubości 100 nm - ok. 30g) ma grubość ok. 1 m i waży 70 ton. Koszt teleskopu ok. 180 mln $; koszt zwierciadła ok. 5% całej sumy (zmienia się proporcjonalnie do kwadratu masy zwierciadła) Dopuszczalne odkształcenia sprężyste konstrukcji rzędu długości fali światła

4 Schemat odkształceń zwierciadła Sprężyste odkształcenie zwierciadła teleskopu pod wpływem własnej masy Jaki model obciążenia? δ 1m

5 Ugięcie lustra pod własnym ciężarem 3 4 mga Et 3 2 Poszukujemy materiału na lustro o minimalnej masie dla ustalonych wielkości średnica 2a = 5m i dopuszczalne ugięcie = 10m. Grubość t to zmienna swobodna. m 2 a t t m a 2 Po podstawieniu t do wzoru na odkształcenie: 3 mga 4 E 2 3 a m 6 3 3

6 stąd masa: m 3g 4 1/ 2 a 4 3 E 1/ 2 Najlżejsze zwierciadło będzie wykonane z materiału o największej wartości wskaźnika funkcjonalności: M 1/ E 3

7 Ashby M. F. Dobór materiałów w projektowaniu inżynierski; WNT, Warszawa, 1998

8 Materiał E [GPa] [Mg/m 3 ] M [GPa 1/3 m 3 /Mg ] Analiza wyników m [Mg] t [m] uwagi Stopy Al 69 2,7 1,5 53 1,0 Ciężkie; duża rozszerzalność cieplna Szkło 69 2,5 1,6 48 0,97 Stosowane obecnie GFRP 40 2,0 1,7 44 1,1 Niewystarczająca stabilność wymiarowa Stopy Mg 42 3,5 2,1 38 0,6 Lżejsze niż szkło; duża rozszerzalność cieplna Drewno 12 0,6 3,6 14 1,2 Niestabilne wymiarowo Pianki polistryren owe 0,06 0,1 3,9 13 6,6 Niestabilne wymiarowo? CFRP 270 1,5 4,3 11 0,38 Bardzo lekkie; niestabilne wymiarowo; (stosowane na radioteleskopy) Czy jest zamiennik szkła?

9 Czy jest lepszy materiał? Czy można zbudować większe lustra?

10 Współczesne teleskopy

11 Wybrane przykłady jakie średnice luster? Nazwa Średnica Lokalizacja Zbudowany Southern African Large Telescope SALT 11.0 m Sutherland, South Africa 2005 Gran Telescopio Canarias (GTC) 10.4 m La Palma, Canary Islands 2005 (2)Keck* 9.8 m Mauna Kea Hawaii 1993 (2)Keck 2* 9.8 m Mauna Kea, Hawaii 1996 Hobby-Eberly Telescope (HEB) 9.2 m Mt Fowlkes, Texas 1997 (1)Large Binocular Telescope (LBT) 2x8.4 m Mt Graham Arizona 2004 (3)Subaru (NTL)** 8.3 m Mauna Kea, Hawaii 1999 Magellan 6.5 m Las Campanas, Chile 1998 BTA-6 6 m Mt Pastoukhov, Caucasus 1976 (4)LZT 6 m Maple Ridge, Brit. Columbia 2003

12 Jak i z czego je zbudowano?

13 (1)Mount Graham, Arizona, teleskop podwójny, składający się z 2 zwierciadeł każde o średnicy 8,4 m, zainstalowane na tej samej konstrukcji wspornikowej. Zwierciadła, wykonane ze szkła krzemoborowego, mają strukturę plastra miodu.

14 20 ton stopionego szkła poddane zostało rotacji w formie, w celu nadania odpowiedniego kształtu powierzchni (pozwoliło to na zaoszczędzenie ok. 56 ton szkła i 2 lat pracy nad wyszlifowaniem powierzchni). Dla zmniejszenia masy, przy zachowaniu odpowiedniej sztywności, w formie umieszczono 1700 heksagonalnych bloczków ceramicznych, które o ochłodzeniu zwierciadła zostały usunięte pozostawiając puste przestrzenie. Masa każdego zwierciadła to 15,6 tony. Tradycyjne, lite, o tych wymiarach ważyłoby 200 ton.

15 wirowanie szkła Konstrukcja teleskopu

16 Wnioski Funkcja? Sposób realizacji funkcji (konstrukcja)? Materiał? Sposób produkcji?

17 (2) Teleskopy KECK`A oddalone od siebie o 85 metrów i każdy o masie 300 ton, nie są zbudowane z jednego bloku szkła lecz z 36 sześciokątnych ruchomych płytek. Złożone razem dają lustro o średnicy 9,82 metra. Właściwe ułożenie płytek lustra koryguje dwa razy w ciągu sekundy system komputerowy.

18 Wnioski Funkcja? Sposób realizacji funkcji (konstrukcja)? Materiał? Sposób produkcji?

19 (3) SUBARU lustro o średnicy 8,3 metra - płyta szklana (grubość 20cm)- przyjmuje właściwy kształt dzięki systemowi ruchomych wsporników sterowanym przez komputer. Średni błąd powierzchni 0,014 μm. Masa teleskopu 500 ton. Na zdjęciu lustra bez powłoki, widoczne wsporniki.

20 Wnioski Funkcja? Sposób realizacji funkcji (konstrukcja)? Materiał? Sposób produkcji?

21 Plany: Thirty Meter Telescope (TMT) średnica 30 m, ma zostać wybudowany do 2018 r. na Hawajach; koncepcja:

22 Giant Magellan Telescope (GMT) średnica 24,5 m, ma zostać wybudowany do 2018 r. jako część Obserwatorium Las Campanas. & zwierciadeł wykonanych w nowej (?) technologii ze szkła

23 European Extremely Large Telescope (E-ELT) projekt największego na świecie teleskopu optycznego opracowany przez Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO). Zwierciadło teleskopu E-ELT o średnicy 39,3 m ma być wykonane z około 1000 sześciokątnych elementów, każdy o szerokości 1,4 m i grubości 5 cm. Dzięki temu pozwoli na obserwowanie Wszechświata bardziej szczegółowo niż Kosmiczny Teleskop Hubble'a, np. umożliwi badanie składu atmosfery planet pozasłonecznych. Na lokalizację teleskopu wybrano górę Cerro Armazones o wysokości 3060 metrów n.p.m., znajdującą się w centralnej części pustyni Atakama, około 130 km na południe od miasta Antofagasta (Chile). Inauguracja przewidziana jest na rok 2022, a koszt przedsięwzięcia szacuje się na około 1 miliard euro

24 Jakie rozwiązania przewiduje się w przedstawionych planach?

25 Czy są inne możliwości?

26 Co się stanie jeżeli ciecz zostanie umieszczona w obracającym się płaskim pojemniku (talerzu)? Jaki kształt przybierze powierzchnia? Czy da się to zjawisko wykorzystać w budowie teleskopu?

27 (4) The Large Zenith Telescope Łóżysko główne- pneumatyczne System podparcia lustra - niebieski. British Columbia's Fraser Valley

28 Widok z góry siedem głównych heksagonalnych segmentów do formowania powierzchni zwierciadła. Sześć mniejszych trójkątnych sekcji uzupełni okrąg.

29 Gotowe lustro Pierwsze testy lustra

30 6.0m f/1.5 Maple Ridge, BC, 400m n.p.m. Large Zenith Telescope

31 NASA Liquid Mirror. 3.0 m Prędkość obrotowa radian/sek. ; 14 litrów Hg, warstwa 1,6 mm

32 Wnioski Funkcja? Sposób realizacji funkcji (konstrukcja)? Materiał? Sposób produkcji?