Pemilihan material untuk struktur pendukung cermin-apertur besar bergeser dari Invar dan C-SiC ke arahpaduan titanium. Berkat karakteristik deformasinya yang sangat rendah, paduan titanium menjadi bahan pilihan untuk struktur ini.
Mengapa Paduan Titanium? Metrik Kunci yang Diabaikan
Ketika lubang teleskop astronomi semakin besar, persyaratan keakuratan gambar permukaan semakin melampaui batas fisik. Untuk cermin utama teleskop gelombang gravitasi berbasis ruang angkasa, akurasi permukaan yang diperlukan adalah RMS Kurang dari atau sama dengan λ/50-artinya penyimpangan permukaan harus dikontrol dalam kisaran lebih dari sepuluh nanometer. Pada skala ini, bahkan penyimpangan dimensi sekecil apa pun pada struktur pendukung akan diperbesar menjadi distorsi pencitraan. Saat memilih bahan untuk struktur seperti itu, praktik konvensional berfokus pada kepadatan, modulus Young, dan koefisien muai panas. Namun, dalam konteks khusus ini, metrik yang lebih mendasar berperan:-kekuatan hasil mikro. Meskipun kekuatan luluh standar menggambarkan tegangan saat material mengalami deformasi plastis yang signifikan, kekuatan luluh mikro mengukur tegangan yang dapat ditahan suatu material ketika hanya mengalami regangan sisa sekitar satu bagian per juta. Pemeriksaan material yang dilakukan oleh Battelle Memorial Institute untuk Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA mengungkapkan bahwa, di antara banyak kandidat, paduan titanium Kelas 5 (GR5) menawarkan rasio kekuatan hasil mikro terhadap kepadatan tertinggi, dengan kekuatan hasil mikro sekitar 480 × 10⁶ N/m². Struktur pendukung harus menahan beban rakitan cermin dalam jangka waktu lama; jika material mengalami mulur plastik yang terus menerus dan tidak dapat diubah pada tingkat mikroskopis, bentuk permukaan cermin akan "melayang" secara perlahan. Untuk teleskop yang dirancang untuk beroperasi secara stabil selama beberapa tahun, penyimpangan seperti itu jauh lebih merugikan daripada deformasi sesaat. Pada akhirnya, nilai paduan titanium terletak pada kemampuannya menjaga stabilitas dimensi sepanjang masa pakainya.
Kondisi Pengoperasian Termal: Pencocokan CTE hanyalah Titik Awal
Mempertahankan bentuk permukaan yang tepat dalam berbagai kondisi termal merupakan tantangan utama dalam desain penyangga cermin. Paduan titanium kelas 5 (GR5) memiliki koefisien muai panas (CTE) sekitar 9,1 × 10⁻⁶ K⁻¹, kepadatan 4,4 g/cm³, dan modulus elastisitas sekitar 109 GPa. Dibandingkan dengan komposit Invar atau karbon/silikon karbida, CTE GR5 tidak terlalu rendah. Namun, pemilihan material teknik tidak pernah merupakan kompetisi berdasarkan metrik tunggal. Pada desain penyangga pusat untuk cermin utama kaca-keramik Φ500 mm, bushing dan selongsong penyangga terbuat dari paduan titanium, dengan lapisan perekat fleksibel yang menghubungkan badan cermin ke struktur penyangga. Simulasi menunjukkan bahwa di bawah perubahan suhu seragam sebesar 40 derajat, akurasi gambar permukaan (RMS) tetap dalam 4,2 nm, dan frekuensi dasar rakitan melebihi 53 Hz. Lapisan perekat berperan penting dalam hal ini: lapisan ini mengurangi beban dari berat cermin sekaligus menyerap tekanan termal yang disebabkan oleh ketidaksesuaian CTE antara paduan titanium dan keramik kaca. Nilai paduan titanium GR5 bukan terletak pada memiliki CTE yang "optimal", namun pada memungkinkan-melalui desain antarmuka yang rasional-pengendalian tegangan termal dalam batas yang dapat diterima sekaligus memberikan kekakuan struktural yang memadai. Hal ini mewakili pendekatan rekayasa tingkat sistem, bukan substitusi material sederhana.
Dua Konfigurasi: Engsel Lentur dan Struktur Kisi Terintegrasi
Dalam hal desain struktur spesifik, paduan titanium digunakan dalam sistem pendukung cermin dalam lebih dari satu bentuk, dengan konfigurasi struktur berbeda yang mencerminkan filosofi desain berbeda. Engsel lentur-menggunakan fleksibilitas untuk mengatasi kekakuan. Dalam proyek teleskop pengukuran presisi 1,93-meter yang dipimpin oleh Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology (NIAOT), Chinese Academy of Sciences, tim peneliti mengganti bantalan bola tradisional yang-menyelaraskan diri dengan engsel lentur diafragma ganda Ti-6Al-4V (GR5). Modifikasi ini mengurangi gaya parasit aksial pada cermin utama dari 60 N menjadi 2,5 N. Dengan dukungan lateral yang beroperasi penuh, cermin utama mencapai akurasi gambar permukaan sebesar 4,15 nm RMS dan 24 nm PV, secara konsisten memenuhi persyaratan desain RMS Kurang dari atau sama dengan λ/35 pada rentang suhu yang luas -30 derajat hingga 30 derajat . Kombinasi kekuatan luluh yang tinggi dan modulus elastisitas yang relatif rendah pada paduan titanium memungkinkan engsel lentur mencapai posisi yang tepat dalam rentang elastis tanpa menimbulkan gesekan atau serangan balik. Struktur kisi-dan-kulit yang terintegrasi-meminimalkan bobot melalui desain berongga. Ini merupakan salah satu pendekatan paling inovatif dalam beberapa tahun terakhir. Dalam proyek yang melibatkan-cermin luar angkasa kantilever besar untuk sensor jarak jauh dirgantara, 508 Institute of the China Academy of Space Technology (CAST) berkolaborasi dengan Shanghai Jiao Tong University. Mereka menggunakan optimasi topologi untuk menentukan konfigurasi makro, memanfaatkan kisi Body-Centered Cubic (BCC) untuk struktur internal dan kulit luar untuk penutup. Struktur pendukung yang dihasilkan hanya berbobot 6,5 kg, menjaga massa total rakitan cermin di bawah 16,5 kg. Hasil pengujian menunjukkan rotasi cermin kurang dari 6 detik busur dan perpindahan benda tegar kurang dari 0,02 mm-keduanya masih dalam toleransi kesalahan penyelarasan optik.
Ringkasan
Dari-kekuatan luluh dan engsel lentur mikro hingga-struktur kisi cetak 3D, nilai paduan titanium dalam sistem pendukung cermin-aperture besar jauh melampaui sekadar substitusi material. Hal yang benar-benar dimungkinkan oleh teknologi ini adalah kelayakan teknik untuk mencapai akurasi gambar permukaan tingkat nanometer dalam kondisi yang melibatkan rentang suhu yang luas dan pengoperasian jangka panjang. Bagi industri titanium, kesuksesan di bidang ini tidak bergantung pada kapasitas produksi, namun pada kemampuan menerjemahkan sifat material ke dalam solusi desain struktural.
Email-:garychen3215@hotmail.com
Alamat: No.35, Baoti Rd, kota Baoji, Provinsi Shaanxi, Cina
Kontak: Tuan Gary Chen
Telepon: +86-917-8883215
Seluler/WhatsApp: +86 13092900605
