티타늄 합금은 점점 더 천문 망원경의 핵심 지지 구조로 선택되는 재료가 되고 있습니다.. - 뉴스

대형-개구 거울 지지 구조용 재료 선택이 Invar 및 C-SiC에서 방향으로 전환되고 있습니다.티타늄 합금. 매우 낮은 변형 특성으로 인해 티타늄 합금은 이러한 구조에 적합한 재료가 되고 있습니다.

왜 티타늄 합금인가? 간과된 주요 지표
천체 망원경의 구경이 점점 더 커지면서 표면 형상의 정확성에 대한 요구 사항이 물리적 한계에 부딪히고 있습니다. 우주-기반 중력파 망원경의 주 거울의 경우 필요한 표면 정확도는 RMS λ/50 이하입니다. 즉 표면 편차는 10나노미터가 조금 넘는 범위 내에서 제어되어야 함을 의미합니다. 이 규모에서는 지지 구조의 가장 작은 치수 드리프트도 이미지 왜곡으로 확대됩니다. 이러한 구조용 재료를 선택할 때 기존 관행에서는 밀도, 영률 및 열팽창 계수에 중점을 둡니다. 그러나 이러한 특정 맥락에서는 보다 근본적인 지표인 미소- 항복 강도가 중요합니다. 표준 항복 강도는 재료가 상당한 소성 변형을 겪는 응력을 설명하는 반면, 미소 항복 강도는 재료가 백만 분의 1 정도의 잔류 변형만 겪으면서 견딜 수 있는 응력을 측정합니다. NASA의 고다드 우주 비행 센터를 위해 Battelle Memorial Institute에서 실시한 재료 심사에서 수많은 후보 중에서 5등급(GR5) 티타늄 합금이 약 480 × 10⁶ N/m²의 미세 항복 강도로 밀도 대비 가장 높은 미세 항복 강도 비율을 제공하는 것으로 나타났습니다. 지지 구조는 장기간에 걸쳐 미러 어셈블리의 무게를 견뎌야 합니다. 재료가 미세한 수준에서 지속적이고 되돌릴 수 없는 플라스틱 크리프를 겪는다면 거울의 표면 모습은 천천히 "표류"할 것입니다. 수년에 걸쳐 안정적으로 작동하도록 설계된 망원경의 경우 이러한 드리프트는 순간적인 변형보다 훨씬 더 해롭습니다. 궁극적으로 티타늄 합금의 가치는 사용 수명 전반에 걸쳐 치수 안정성을 유지하는 능력에 있습니다.

열 작동 조건: CTE 매칭은 단지 시작점일 뿐입니다
다양한 열 조건에서 정확한 표면 형상을 유지하는 것은 미러 지지대 설계의 핵심 과제입니다. 5등급(GR5) 티타늄 합금은 약 9.1 × 10⁻⁶ K⁻¹의 열팽창 계수(CTE), 4.4g/cm3의 밀도, 약 109GPa의 탄성 계수를 갖습니다. Invar 또는 탄소/탄화규소 복합재에 비해 GR5의 CTE는 특별히 낮지 않습니다. 그러나 엔지니어링 재료 선택은 결코 단일 측정 기준을 기반으로 한 경쟁이 아닙니다. Φ500mm 유리-세라믹 주경의 중앙 지지대 설계에서 부싱과 지지 슬리브는 모두 티타늄 합금으로 만들어졌으며 유연한 접착층이 거울 본체를 지지대 구조에 연결합니다. 시뮬레이션에 따르면 40도의 균일한 온도 변화에서 표면 형상 정확도(RMS)는 4.2nm 이내로 유지되고 어셈블리의 기본 주파수는 53Hz를 초과합니다. 여기서 접착층은 중추적인 역할을 합니다. 즉, 티타늄 합금과 유리{18}}세라믹 사이의 CTE 불일치로 인해 발생하는 열 응력을 흡수하는 동시에 거울 자체 무게의 부하를 완화합니다. GR5 티타늄 합금의 가치는 "최적의" CTE를 갖는 데 있는 것이 아니라, -합리적인 인터페이스 설계를 통해-허용 가능한 한도 내에서 열 응력을 제어하는 동시에 충분한 구조적 강성을 제공하는 데 있습니다. 이는 단순한 재료 대체가 아닌 시스템{24}}수준의 엔지니어링 접근 방식을 나타냅니다.

두 가지 구성: 굴곡 힌지 및 통합 격자 구조
특정 구조 설계 측면에서 티타늄 합금은 독특한 설계 철학을 반영하는 다양한 구조 구성을 통해 두 가지 이상의 형태로 미러 지지 시스템에 활용됩니다. 굴곡 경첩은-강성을 극복하기 위해 유연성을 사용합니다. 중국과학원 난징천문광학기술연구소(NIAOT)가 주도한 1.93-미터 정밀 측정 망원경 프로젝트에서 연구팀은 기존의 자가 정렬 볼 베어링을 Ti{20}}6Al-4V(GR5) 이중-다이어프램 굴곡 힌지로 교체했습니다. 이 수정으로 인해 주경의 축 기생력이 60N에서 2.5N으로 감소되었습니다. 측면 지지대가 완벽하게 작동하면서 주경은 4.15nm RMS 및 24nm PV의 표면 형상 정확도를 달성하여 -30도 ~ 30도의 넓은 온도 범위에서 RMS의 설계 요구 사항인 λ/35 이하를 일관되게 충족했습니다. 티타늄 합금의 높은 항복 강도와 상대적으로 낮은 탄성 계수의 조합으로 플랙셔 힌지는 마찰이나 백래시를 유발하지 않고 탄성 범위 내에서 정밀한 위치 지정을 달성할 수 있습니다. 통합된 격자-및-스킨 구조-중공 디자인을 통해 무게를 최소화합니다. 이는 최근 몇 년간 가장 획기적인 접근 방식 중 하나입니다. 항공우주 원격 센서를 위한 대형-캔틸레버 공간 거울과 관련된 프로젝트에서 중국 우주 기술 아카데미(CAST)의 508 연구소는 Shanghai Jiao Tong University와 협력했습니다. 그들은 내부 구조에 BCC(Body-Centered Cubic) 격자를 활용하고 인클로저에 외부 스킨을 활용하여 매크로 구성을 결정하기 위해 토폴로지 최적화를 사용했습니다. 그 결과 지지 구조의 무게는 6.5kg에 불과해 미러 어셈블리의 전체 질량을 16.5kg 미만으로 유지했습니다. 테스트 결과에 따르면 6각초 미만의 거울 회전과 0.02mm 미만의 강체 변위가 나타났습니다. 두 가지 모두 광학 정렬 오류 허용 범위 내에 있었습니다.

요약
미세 항복 강도 및 굴곡 힌지부터 3D-프린팅 격자 구조까지, 대형-개구경 거울 지지 시스템에서 티타늄 합금의 가치는 단순한 재료 대체 그 이상입니다. 이것이 진정으로 가능하게 하는 것은 넓은 온도 범위와 장기간의 작동과 관련된 조건에서 나노미터-수준의 표면 형상 정확도를 달성할 수 있는 엔지니어링 타당성입니다. 티타늄 산업의 경우 이 분야에서의 성공은 생산 능력이 아니라 재료 특성을 구조 설계 솔루션으로 변환하는 능력에 달려 있습니다.

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