टाइटेनियम मिश्र धातु खगोलीय दूरबीनों की मुख्य समर्थन संरचनाओं के लिए पसंदीदा सामग्री बनती जा रही है।

बड़े {{0}एपर्चर दर्पण समर्थन संरचनाओं के लिए सामग्री का चयन इन्वार और सी{{1}SiC से स्थानांतरित हो रहा हैटाइटेनियम मिश्र. अपनी बेहद कम विरूपण विशेषताओं के कारण, टाइटेनियम मिश्र धातुएं इन संरचनाओं के लिए पसंद की सामग्री बन रही हैं।

टाइटेनियम मिश्र धातु क्यों? एक अनदेखी मुख्य मीट्रिक
जैसे-जैसे खगोलीय दूरबीनों के छिद्र बड़े होते जा रहे हैं, सतह की आकृति सटीकता की आवश्यकताएं भौतिक सीमाओं के विरुद्ध जा रही हैं। अंतरिक्ष आधारित गुरुत्वाकर्षण तरंग दूरबीन के प्राथमिक दर्पण के लिए, आवश्यक सतह सटीकता आरएमएस λ/50 से कम या उसके बराबर है, जिसका अर्थ है कि सतह विचलन को केवल दस नैनोमीटर से अधिक की सीमा के भीतर नियंत्रित किया जाना चाहिए। इस पैमाने पर, समर्थन संरचना में थोड़ा सा भी आयामी विचलन इमेजिंग विरूपण में बढ़ जाता है। ऐसी संरचनाओं के लिए सामग्री का चयन करते समय, पारंपरिक अभ्यास घनत्व, यंग के मापांक और थर्मल विस्तार के गुणांक पर ध्यान केंद्रित करता है। हालाँकि, इस विशिष्ट संदर्भ में, एक अधिक मौलिक मीट्रिक चलन में आती है: सूक्ष्म-उपज शक्ति। जबकि मानक उपज शक्ति उस तनाव का वर्णन करती है जिस पर एक सामग्री महत्वपूर्ण प्लास्टिक विरूपण से गुजरती है, सूक्ष्म उपज शक्ति उस तनाव को मापती है जिसे एक सामग्री प्रति मिलियन एक भाग के क्रम पर केवल अवशिष्ट तनाव का अनुभव करते हुए झेल सकती है। नासा के गोडार्ड स्पेस फ़्लाइट सेंटर के लिए बैटल मेमोरियल इंस्टीट्यूट द्वारा आयोजित सामग्री स्क्रीनिंग से पता चला कि, कई उम्मीदवारों के बीच, ग्रेड 5 (जीआर5) टाइटेनियम मिश्र धातु घनत्व के लिए सूक्ष्म उपज शक्ति का उच्चतम अनुपात प्रदान करता है, लगभग 480 × 10⁶ एन/एम² की सूक्ष्म उपज शक्ति के साथ। समर्थन संरचनाओं को लंबे समय तक दर्पण संयोजन का भार वहन करना चाहिए; यदि सामग्री सूक्ष्म स्तर पर निरंतर, अपरिवर्तनीय प्लास्टिक रेंगने से गुजरती है, तो दर्पण की सतह का आकार धीरे-धीरे "बह" जाएगा। कई वर्षों तक स्थिर रूप से काम करने के लिए डिज़ाइन की गई दूरबीन के लिए, ऐसा बहाव तात्कालिक विरूपण की तुलना में कहीं अधिक हानिकारक है। अंततः, टाइटेनियम मिश्र धातु का मूल्य उसके सेवा जीवन के दौरान आयामी स्थिरता बनाए रखने की क्षमता में निहित है।

थर्मल परिचालन स्थितियां: सीटीई मिलान सिर्फ शुरुआती बिंदु है
अलग-अलग तापीय स्थितियों में सटीक सतह का आंकड़ा बनाए रखना दर्पण समर्थन डिजाइन में मुख्य चुनौती है। ग्रेड 5 (जीआर5) टाइटेनियम मिश्र धातु का थर्मल विस्तार गुणांक (सीटीई) लगभग 9.1 × 10⁻⁶ के⁻¹, घनत्व 4.4 ग्राम/सेमी³ और लोचदार मापांक लगभग 109 जीपीए है। इन्वार या कार्बन/सिलिकॉन कार्बाइड कंपोजिट की तुलना में, GR5 का CTE विशेष रूप से कम नहीं है। हालाँकि, इंजीनियरिंग सामग्री का चयन कभी भी एक मीट्रिक पर आधारित प्रतिस्पर्धा नहीं होती है। Φ500 मिमी ग्लास - सिरेमिक प्राथमिक दर्पण के लिए केंद्रीय समर्थन डिज़ाइन में, बुशिंग और समर्थन आस्तीन दोनों टाइटेनियम मिश्र धातु से बने होते हैं, जिसमें एक लचीली चिपकने वाली परत होती है जो दर्पण शरीर को समर्थन संरचना से जोड़ती है। सिमुलेशन से संकेत मिलता है कि 40 डिग्री के एक समान तापमान परिवर्तन के तहत, सतह आकृति सटीकता (आरएमएस) 4.2 एनएम के भीतर रहती है, और असेंबली की मौलिक आवृत्ति 53 हर्ट्ज से अधिक है। चिपकने वाली परत यहां एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है: यह टाइटेनियम मिश्र धातु और कांच के सिरेमिक के बीच सीटीई बेमेल के कारण होने वाले थर्मल तनाव को अवशोषित करते हुए दर्पण के स्वयं के वजन के भार से राहत देती है। GR5 टाइटेनियम मिश्र धातु का मूल्य "इष्टतम" CTE होने में नहीं है, बल्कि तर्कसंगत इंटरफ़ेस डिज़ाइन के माध्यम से स्वीकार्य सीमा के भीतर थर्मल तनाव के नियंत्रण को सक्षम करने के साथ-साथ पर्याप्त संरचनात्मक कठोरता प्रदान करने में निहित है। यह एक साधारण सामग्री प्रतिस्थापन के बजाय सिस्टम स्तर के इंजीनियरिंग दृष्टिकोण का प्रतिनिधित्व करता है।

दो विन्यास: फ्लेक्सचर टिका और एकीकृत जाली संरचनाएं
विशिष्ट संरचनात्मक डिजाइन के संदर्भ में, टाइटेनियम मिश्र धातुओं का उपयोग दर्पण समर्थन प्रणालियों में एक से अधिक रूपों में किया जाता है, जिसमें विभिन्न संरचनात्मक विन्यास अलग-अलग डिजाइन दर्शन को दर्शाते हैं। कठोरता पर काबू पाने के लिए लचीलेपन का उपयोग करते हुए फ्लेक्सचर टिकाएं-। नानजिंग इंस्टीट्यूट ऑफ एस्ट्रोनॉमिकल ऑप्टिक्स एंड टेक्नोलॉजी (एनआईएओटी), चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज के नेतृत्व में 1.93 {{4} मीटर सटीक माप दूरबीन परियोजना में, अनुसंधान टीम ने पारंपरिक सेल्फ एलाइनिंग बॉल बेयरिंग को Ti {20 6Al {21 4V (GR5) दोहरी डायाफ्राम फ्लेक्सचर टिका के साथ बदल दिया। इस संशोधन ने प्राथमिक दर्पण पर अक्षीय परजीवी बल को 60 एन से 2.5 एन तक कम कर दिया। पार्श्व समर्थन पूरी तरह से चालू होने के साथ, प्राथमिक दर्पण ने 4.15 एनएम आरएमएस और 24 एनएम पीवी की सतह आकृति सटीकता हासिल की, जो लगातार 30 डिग्री से 30 डिग्री की विस्तृत तापमान सीमा में λ/35 से कम या उसके बराबर आरएमएस की डिजाइन आवश्यकता को पूरा करती है। टाइटेनियम मिश्र धातुओं में उच्च उपज शक्ति और अपेक्षाकृत कम लोचदार मापांक का संयोजन घर्षण या प्रतिक्रिया के बिना लोचदार सीमा के भीतर सटीक स्थिति प्राप्त करने के लिए लचीले टिका को सक्षम बनाता है। खोखले डिजाइन के माध्यम से वजन को कम करने वाली एकीकृत जाली {{28} और त्वचा संरचनाएं {{35}। यह हाल के वर्षों में सबसे महत्वपूर्ण दृष्टिकोणों में से एक का प्रतिनिधित्व करता है। एयरोस्पेस रिमोट सेंसर के लिए एक बड़े कैंटिलीवर स्पेस मिरर से जुड़े प्रोजेक्ट में, 508 इंस्टीट्यूट ऑफ द चाइना एकेडमी ऑफ स्पेस टेक्नोलॉजी (CAST) ने शंघाई जिओ टोंग यूनिवर्सिटी के साथ सहयोग किया। उन्होंने मैक्रो-कॉन्फ़िगरेशन निर्धारित करने के लिए टोपोलॉजी अनुकूलन को नियोजित किया, आंतरिक संरचना के लिए बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक (बीसीसी) जाली और बाड़े के लिए बाहरी त्वचा का उपयोग किया। परिणामी समर्थन संरचना का वजन केवल 6.5 किलोग्राम था, जिससे दर्पण संयोजन का कुल द्रव्यमान 16.5 किलोग्राम से कम रहा। परीक्षण के नतीजों में 6 आर्कसेकंड से कम का दर्पण रोटेशन और 0.02 मिमी से कम का कठोर-शरीर विस्थापन दिखाया गया - दोनों ऑप्टिकल संरेखण त्रुटियों के लिए सहनशीलता के भीतर।

सारांश
सूक्ष्म {{0} उपज शक्ति और लचीलेपन टिका से लेकर 3डी {{2} मुद्रित जाली संरचनाओं तक, बड़े {{3} एपर्चर दर्पण समर्थन प्रणालियों में टाइटेनियम मिश्र धातुओं का मूल्य मात्र सामग्री प्रतिस्थापन से कहीं अधिक है। वे वास्तव में व्यापक तापमान रेंज और लंबी अवधि के संचालन वाली स्थितियों के तहत नैनोमीटर स्तर की सतह की सटीकता प्राप्त करने की इंजीनियरिंग व्यवहार्यता को सक्षम करते हैं। टाइटेनियम उद्योग के लिए, इस क्षेत्र में सफलता उत्पादन क्षमता पर नहीं, बल्कि भौतिक गुणों को संरचनात्मक डिजाइन समाधानों में अनुवाद करने की क्षमता पर निर्भर करती है।

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