Зеркало для вселенной

Вашему вниманию предлагается статья опубликованная в далеком 1976 году, в №10 журнала "Юный техник". В те времена подрастающему поколению узнать про передовую науки и техники можно было только из подобных журналов ("Юный техник", "Техника молодежи", "Моделист-конструктор" и т.п.). Интернета в то время не было. Хотя статье уже 36 лет, но до сих пор ее читать - захватывающее занятие. В ней рассказывается про изготовление зеркала для БТА - Большого азимутального телескопа, который в середине 70-х годов прошлого века стал самым передовым на Земле.


Зеркало для вселенной

   На рабочем столе Игоря Михайловича Бужинского лежит несколько неожиданных на первый взгляд фотографий. Как и почему оказались в кабинете главного технолога завода снимки звездного неба? Их подарили Игорю Михайловичу астрономы Главной астрофизической обсерватории. Подарили как свидетельство добротной работы заводских специалистов. Эти снимки получены с помощью БТА — Большого азимутального телескопа, а зеркало для него изготовлялось на заводе под руководством главного технолога.
   

Начало

   В апреле 1960 года на заводе проходило заседание технического совета, обсуждался один вопрос: «Как получить отливку для зеркала БТЛ?» Один предлагал выполнить зеркало путем спекания основы с отдельно сделанными и отполированными листами стекла. Другой считал, что лучше варить стекло по частям в стандартных горшковых печах, а затем сплавить отдельные куски. «А почему не использовать опыт металлургов? Сварить стекло в качающейся печи, а потом наклонить ее и перелить стекло в форму через край?» — спрашивал третий...
   Когда совещание закончилось, то оказалось, что в принципе возможны одиннадцать вариантов изготовления отливки. После согласования с конструкторами Ленинградского оптико-механического объединения и астрономами их осталось пять. В качестве основной приняли технологическую схему, по которой стекло должно навариваться в большой ванной печи и сливаться в форму по нагретому трубопроводу.
   — А потом, вспоминает Зоря Петровна Дмитриева, — собрали нас, группу молодых инженеров, только что окончивших институты, и Игорь Михайлович сказал: «Можно бы, конечно, подобрать специалистов и постарше. Но они рисковать вряд ли захотят. Что же касается опыта, то в таком деле его ни у кого нет...» И начали мы с нуля...
   Оказалось, что для изготовления 70-тонной заготовки БТА нельзя было воспользоваться ни опытом получения 6-тонного зеркала самого крупного в нашей стране телескопа Крымской обсерватории, ни 20-тонного зеркала «паломарского гиганта» — американского оптического телескопа. Все приходилось начинать сначала — искать состав стекла, проектировать и строить производственные корпуса, разрабатывать конструкции стекловаренной печи и печи для отжига, готовить форму для отливки, создавать уникальные станки для обработки будущей заготовки. И все эти тысячи больших и малых дел выполнить с отличным качеством в кратчайшие сроки.
   
Поиск стекла

   Обычное оптическое стекло для изготовления отливки не годилось, потому что, кроме однородности состава стекла по всему его объему и отсутствия пузырьков газа, заготовка для БТА требовала выполнения еще и ряда особых условий. Среди них наиболее важные — возможно меньший коэффициент линейного расширения, очень малая агрессивность и минимальная склонность к кристаллизации.
   Как известно, стекло представляет собой переохлажденный раствор, содержащий сплавы различных окислов и силикатов. Для переохлажденной воды такое состояние крайне неустойчиво. Достаточно легкого сотрясения, и она превратится в лед, кристаллизуется. Для стекла же подобное аморфное состояние вещества вполне нормально, оно может находиться в нем очень длительное время. Но если кристаллизация начнется в процессе изготовления стекла, то все — о высоком качестве и речи быть не может. Во избежание кристаллизации подбирают такой состав, чтобы при небольшом понижении температуры резко возрастала его вязкость. Но вязкое стекло, да еще сразу 70 т, очень трудно переправить из печи в форму. Оно может застрять по пути. Вот. поэтому и требовалось стекло достаточно жидкое и в то же время малокристаллизующееся.
   Еще одна трудность заключалась в том, что масса, нагретая до температуры 1600°С, чрезвычайно агрессивна. В ней растворяются вольфрам, бор, тантал. Значит, нужны огнеупоры для печи и формы, которые смогли бы выдержать «агрессию» стекла. И, в-третьих, стекло столь большого зеркала должно иметь малый коэффициент расширения. Иначе на его поверхности будет очень трудно, а то и невозможно получить форму идеальной параболы, собирающей световые лучи в один пучок.
   Пятиметровое зеркало «гиганта горы Паломар» до последнего времени считалось непревзойденным произведением искусства мировой оптической промышленности. Созданное советскими оптиками зеркало БТА превосходит его по всем статьям. Хотя бы потому, что заготовка для зеркала изготовлена одной заливкой.
   — Я не видел зеркала Паломара, — рассказывал мне заместитель главного технолога Анатолий Николаевич Хомяков, — но примерно таким же образом, заливкой в форму нескольких порций стекла, на нашем заводе делалась заготовка для зеркала крымского телескопа. Границы между отдельными заливками стекла все же остаются. Значит, зеркало «получается неоднородным и обработать его с высокой точностью практически невозможно... А если еще учесть, что стекло БТА, кроме своих размеров, способа отливки, и по составу обладает более высокими характеристиками, чем стекло паломарского телескопа, становится понятным, почему наш телескоп в шесть раз зорче американского.


Так выглядит БТА с высоты птичьего полета


   Четыре года искали этот состав советские оптики. Четыре года напряженной работы, поисков и надежд, разочарований и удач дали свои результаты: состав был найден в рекордно короткие сроки. Чтобы получить стекло для паломарского телескопа, оптикам США понадобилось шесть лет.
   
Технологические хитрости

   5,5- метровая труба толщиной с бревно, по которой стекло из печи переливалось в форму, была изготовлена из чистой платины. К платине стекло практически не прилипает и в реакцию с нею не вступает. А чтобы расплавленная масса не застыла по дороге, трубы обогревали газовыми горелками.
Но не все поначалу шло гладко. Во время экспериментальных отливок случалось всякое — застывала масса, лопалась сливная труба. Производственно-экспериментальная отливка прошла гладко, масса заполнила форму, но когда стали проводить отжиг и охлаждение заготовки по ускоренному графику, коварная трещина рассекла ее пополам.
   Постепенно все наладилось. И вот наконец пришел самый ответственный день. В печь засыпали около 300 т стеклянного боя и сырья. После того как это все хорошенько проварилось, почти неделю шло осветление, в ходе которого из стекла изгоняются пузырьки газа, образовавшиеся в его толще во время варки. Одновременно полным ходом велись подготовительные работы по приему стекла в форму, готовилась печь для отжига, прогревались трубопровод и форма...
   Около шести часов текла огненная река. Сначала стекло гигантским куполом вздымалось в центре, потом купол осел, масса растеклась по всей площади и стала медленно подниматься к проектной отметке, словно тесто в гигантской квашне. Затем трубопровод перекрыли, и форма, накрытая крышкой, отправилась на отжиг.
   Отжиг, пожалуй, самая деликатная операция во всем процессе. От того, насколько точно и правильно она выполнена, зависит дальнейшая судьба заготовки. Ее вновь нагревают до определенной температуры и затем медленно охлаждают, избавляя материал от внутренних напряжений.
   Электропечь нагрела форму до 600°. Затем температуру стали снижать в среднем по 0,5° в сутки. Изменение температуры контролировали автоматы.
   Дни шли за днями, и с каждым часом заготовка становилась чуточку холоднее. «Поспешишь — людей насмешишь», — говорит старая русская пословица. Как никогда верной она могла оказаться и в данном случае. Поэтому лишь через два года и шесть дней, когда температура снизилась до плюс двадцати градусов Цельсия, были открыты сначала печь, а потом и форма.
   
Что было дальше

   Впереди предстояло еще много хлопот. Нужно было снять 28 т «лишнего» стекла — операция, с которой блестяще справились рабочие завода. Затем обработать поверхность будущего зеркала алмазными круга ми и порошком, просверлить и довести до высокой степени чистоты десятки отверстий. Как потом подсчитали, на все это израсходовали около 7 тыс. каратов алмазов. (около 1,5 кг. - прим. Byte)
   Комиссии под председательством академика А. Прохорова еще предстояла приемка зеркала, изготовленного с исключительной точностью: громада площадью около 30 квадратных метров собирает лучи света в точку размером в 0,01 квадратного миллиметра. Еще планировалось путешествие готового зеркала по маршруту: завод — южный порт Москвы — Ростов-на-Дону — горы Карачаево-Черкесии,..
Многое и многое только предстояло сделать. Но один из важнейших этапов — изготовление 70-тонной отливки зеркала для вселенной, отливки, не имеющей себе равных в мировой практике, — был завершен!
   С. ЗИГУНЕНКО, инженер
   




На данный момент самым прогрессивным считается телескоп Хаббл (Hubble, англ.) запущенный НАСА на Земную орбиту в начале 1990-х годов. И не потому, что он обладает самыми большими зеркалами или еще чем-то огромным. Все дело в том, что он находится над земной атмосферой, следовательно, она не влияет на полученные снимки. А земная атмосфера, хоть и кажется прозрачной, но вносит заметные искажения. К тому же, на измерения влияет погода, температуры окружающей среды и т.д. Вот Хаббл и находится в выигрышном положении.
Форумы: