Попали в точность: робот-измеритель поможет создать оптику электростанций на орбите

В России создали роботизированный комплекс для проверки качества оптических поверхностей — самый точный в своем классе.

Он способен обнаруживать дефекты оптических изделий — линз, зеркал и других компонентов техники, которые работают со светом, — масштаба в доли нанометров. Такая точность в 2−2,5 раза превосходит зарубежные аналоги. Кроме того, прибор может работать в условиях сильных вибраций. Разработка позволяет развивать принципиально новые технологии, в которых требуется высочайшая точность измерений. Например, астрофизические обсерватории нового поколения или космические солнечно-зеркальные электростанции, способные передавать энергию с орбиты на Землю, отмечают эксперты.

Как измерить гладкость поверхности

Ученые из Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана разработали сверхчувствительного робота для контроля качества оптических изделий — линз, зеркал и других компонентов техники, которые работают со светом. Точность измерений прибора составляет доли нанометров, что сопоставимо с размерами отдельных атомов. Такие параметры, к примеру, необходимы для мощных астрофизических телескопов, навигационных приборов, солнечно-зеркальных электростанций и других высокотехнологичных устройств.

Система представляет собой платформу с двумя манипуляторами, объяснили исследователи. Один из них удерживает канал, по которому на объект направляют лазерный луч. Второй служит для регистрации отраженного от поверхности излучения.

— Таким образом, измерения проводятся бесконтактным способом. Поверхность подсвечивают, а отраженное излучение содержит информацию о нем. Эти данные обрабатывают с помощью специальных авторских алгоритмов. Полученные сведения позволяют судить о свойствах и профиле материала, — рассказал «Известиям» один из разработчиков доцент кафедры лазерных и оптико-электронных систем Дмитрий Денисов.

Комплекс, уточнил он, способен работать с оптическими деталями размером от 30 мм до 2 м. При этом точность измерений достигает 1,1 ангстрема (1,1 × 10⁻¹⁰ м), что в 2−2,5 раза превосходит лучшие мировые аналоги.

Чтобы образно представить чувствительность прибора, отметил специалист, можно сравнить его работу с выявлением всплеска волны высотой в 1 см на поверхности Тихого океана.

— Современная техника продвинулась настолько, что даже такие малые дефекты могут исказить данные. Например, телескоп, который наблюдает за короной Солнца, должен детектировать очень слабые магнитные бури. Если шероховатость на поверхности главного зеркала будет более 0,5−1,1 нанометра, это приведет к ошибкам измерения, — сообщил Дмитрий Денисов.

По его словам, в системе используют лазеры с длинами волн 405 нм, 515 нм и 638 нм. Это видимые диапазоны электромагнитного излучения. Переключение между ними позволяет повысить точность измерений.

Другое достоинство комплекса, добавил ученый, — устойчивость к вибрациям. Это дает возможность проводить измерения в производственных цехах. Кроме того, прибор позволяет различать отдельные виды дефектов. Например, царапины, пленки, грязь или молекулярное осаждение. Такие сведения важны, чтобы понять, как устранить недостатки.

Как создать солнечно-зеркальные электростанции на орбите

По словам Дмитрия Денисова, разработка востребована для контроля качества линз, зеркал и прочих оптических деталей. Такие компоненты, в частности, широко используют в промышленном оборудовании и медицинских приборах. Также новые измерители пригодятся в процессе создания телескопов и астрофизических обсерваторий.

— Еще одна важная сфера применения — это проверка лазерных гироскопов (приборов для определения положения в пространстве). Их используют в авиации, подводных лодках, нефтедобывающей промышленности и космических системах для стабилизации платформ и точного ориентирования, — рассказал ученый.

Луч в таком гироскопе совершает десятки тысяч оборотов по контуру, объяснил он. Даже незначительная шероховатость на поверхности зеркал, которые формируют этот контур, приводит к рассеянию света, что может привести к ошибкам в позиционировании.

Также, если помечтать, комплекс может помочь в создании в будущем космических солнечно-зеркальных электростанций, которые способны на орбите собирать энергию Солнца и перенаправлять ее на Землю, добавил ученый.

— В производстве оптических поверхностей достижение максимальной гладкости — один из основных критериев. Это технологичная и трудоемкая задача. Однако достижение масштаба долей нанометров — слишком оптимистичное заявление. Для большинства применений допустим размах в 40−50 нанометров. Но для специальных задач, например в высокоточных лазерных системах, нужен уровень в 2−3 нанометра, — рассказал «Известиям» руководитель научно-производственного комплекса «Астрономическая и космическая оптика» АО «Лыткаринский завод оптического стекла» Владимир Патрикеев.

Такие точности востребованы, к примеру, в элементах, которые взаимодействуют с высокими энергиями, где малейшие дефекты могут привести к разрушению материалов, пояснил он.

В целом, отметил эксперт, невозможно создать техническое устройство без средства измерения, которое превосходит его по точности. Поэтому создание отечественного высокоточного измерительного комплекса открывает для отечественных специалистов путь к созданию новых передовых технологий.

— Высокоточное производство оптических компонентов, таких как зеркала, линзы, плоскопараллельные пластины, светофильтры и т. д., востребовано в широком спектре современных научных направлений, включая оптоэлектронные системы обработки данных и квантовые вычисления, — прокомментировал профессор кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ Евгений Злоказов.

Однако зачастую контроль качества оптических изделий осуществляется либо вручную, либо требует использования сложного труднодоступного оборудования, добавил он. Эти факторы, с одной стороны, приводят к замедлению процесса производства, с другой — увеличивают затраты производства. В связи с этим разработки, подобные прибору из МГТУ, помогут уменьшить стоимость высокотехнологичной продукции в нашей стране и сделают ее более конкурентоспособной.

• космос

Поделиться