As ligas de titânio estão se tornando cada vez mais o material preferido para as principais estruturas de suporte dos telescópios astronômicos. - Notícias

A seleção de materiais para estruturas de suporte de espelhos-de grande abertura está mudando de Invar e C-SiC paraligas de titânio. Graças às suas características de deformação extremamente baixa, as ligas de titânio estão se tornando o material preferido para essas estruturas.

Por que liga de titânio? Uma métrica-chave negligenciada
À medida que as aberturas dos telescópios astronómicos aumentam cada vez mais, os requisitos para a precisão das figuras da superfície vão contra os limites físicos. Para o espelho primário de um telescópio de ondas gravitacionais baseado no espaço, a precisão de superfície necessária é RMS menor ou igual a λ/50-o que significa que os desvios de superfície devem ser controlados dentro da faixa de pouco mais de dez nanômetros. Nesta escala, mesmo o menor desvio dimensional na estrutura de suporte é ampliado e provoca distorção de imagem. Ao selecionar materiais para tais estruturas, a prática convencional concentra-se na densidade, no módulo de Young e no coeficiente de expansão térmica. No entanto, neste contexto específico, uma métrica mais fundamental entra em jogo: micro-força de rendimento. Embora o limite de escoamento padrão descreva a tensão na qual um material sofre deformação plástica significativa, o micro{12}}resistência ao escoamento mede a tensão que um material pode suportar enquanto experimenta apenas deformação residual da ordem de uma parte por milhão. A triagem de material conduzida pelo Battelle Memorial Institute para o Goddard Space Flight Center da NASA revelou que, entre vários candidatos, a liga de titânio Grau 5 (GR5) oferece a maior proporção de micro-resistência ao escoamento em relação à densidade, com uma resistência ao micro escoamento de aproximadamente 480 × 10⁶ N/m². As estruturas de suporte devem suportar o peso do conjunto do espelho durante longos períodos; se o material sofrer fluência plástica contínua e irreversível no nível microscópico, a figura da superfície do espelho “desviará” lentamente. Para um telescópio projetado para operar de forma estável durante vários anos, tal desvio é muito mais prejudicial do que a deformação instantânea. Em última análise, o valor da liga de titânio reside na sua capacidade de manter a estabilidade dimensional ao longo da sua vida útil.

Condições térmicas de operação: a correspondência CTE é apenas o ponto de partida
Manter uma figura de superfície precisa em diversas condições térmicas é o principal desafio no projeto de suporte de espelho. A liga de titânio grau 5 (GR5) tem um coeficiente de expansão térmica (CTE) de aproximadamente 9,1 × 10⁻⁶ K⁻¹, uma densidade de 4,4 g/cm³ e um módulo de elasticidade de cerca de 109 GPa. Comparado aos compósitos Invar ou de carbono/carboneto de silício, o CTE do GR5 não é particularmente baixo. No entanto, a seleção de materiais de engenharia nunca é uma competição baseada em uma única métrica. No projeto de suporte central para um espelho primário de-cerâmica de vidro de Φ500 mm, tanto a bucha quanto a luva de suporte são feitas de liga de titânio, com uma camada adesiva flexível conectando o corpo do espelho à estrutura de suporte. Simulações indicam que sob uma mudança uniforme de temperatura de 40 graus, a precisão da figura de superfície (RMS) permanece dentro de 4,2 nm e a frequência fundamental do conjunto excede 53 Hz. A camada adesiva desempenha um papel fundamental aqui: ela alivia a carga do próprio peso do espelho enquanto absorve as tensões térmicas causadas pela incompatibilidade CTE entre a liga de titânio e a vitrocerâmica. O valor da liga de titânio GR5 não reside em ter o CTE "ideal", mas em permitir-através de um design de interface racional-o controle da tensão térmica dentro de limites aceitáveis e, ao mesmo tempo, fornecer rigidez estrutural suficiente. Isso representa uma abordagem de engenharia-de sistemas, em vez de uma simples substituição de material.

Duas configurações: dobradiças flexíveis e estruturas de treliça integradas
Em termos de projeto estrutural específico, as ligas de titânio são utilizadas em sistemas de suporte de espelhos em mais de uma forma, com diferentes configurações estruturais refletindo filosofias de projeto distintas. Dobradiças flexíveis-usando flexibilidade para superar a rigidez. No projeto de telescópio de medição de precisão de 1,93{4}} metros liderado pelo Instituto de Óptica e Tecnologia Astronômica de Nanjing (NIAOT), da Academia Chinesa de Ciências, a equipe de pesquisa substituiu os rolamentos de esferas auto{8}}com autoalinhamento tradicionais por dobradiças de flexão de diafragma duplo Ti-6Al-4V (GR5). Esta modificação reduziu a força parasita axial no espelho primário de 60 N para 2,5 N. Com o suporte lateral totalmente operacional, o espelho primário alcançou uma precisão de figura de superfície de 4,15 nm RMS e 24 nm PV, atendendo consistentemente ao requisito de projeto de RMS menor ou igual a λ/35 em uma ampla faixa de temperatura de -30 graus a 30 graus. A combinação de alto limite de escoamento e módulo de elasticidade relativamente baixo em ligas de titânio permite que as dobradiças de flexão alcancem um posicionamento preciso dentro da faixa elástica sem introduzir atrito ou folga. Estruturas de treliça-e{29}}de revestimento integradas-minimizando o peso por meio de design oco. Isto representa uma das abordagens mais inovadoras dos últimos anos. Em um projeto envolvendo um grande espelho espacial cantilever para um sensor remoto aeroespacial, o Instituto 508 da Academia Chinesa de Tecnologia Espacial (CAST) colaborou com a Universidade Jiao Tong de Xangai. Eles empregaram otimização de topologia para determinar a macroconfiguração, utilizando uma rede Cúbica Centrada no Corpo (BCC) para a estrutura interna e uma camada externa para o gabinete. A estrutura de suporte resultante pesava apenas 6,5 kg, mantendo a massa total do conjunto do espelho abaixo dos 16,5 kg. Os resultados dos testes mostraram uma rotação do espelho inferior a 6 segundos de arco e um deslocamento do corpo rígido inferior a 0,02 mm - ambos dentro das tolerâncias para erros de alinhamento óptico.

Resumo
Desde micro-resistência ao escoamento e dobradiças de flexão até estruturas treliçadas-impressas em 3D, o valor das ligas de titânio em sistemas de suporte de espelhos de grande-abertura vai muito além da mera substituição de material. O que eles realmente permitem é a viabilidade de engenharia de alcançar precisão de figura de superfície em nível-nanométrico sob condições que envolvem amplas faixas de temperatura e operação de{6}}longo prazo. Para a indústria do titânio, o sucesso nesta área não depende da capacidade de produção, mas da capacidade de traduzir as propriedades dos materiais em soluções de design estrutural.

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