Вращающаяся печь для изготовления параболоидных зеркал и линз
Rotating furnace
Вращающиеся печи для изготовления параболических зеркал из стекла. Используют центробежную силу для создания точной формы, применяемой в телескопах и солнечных концентраторах.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Ротационная печь — это устройство для изготовления твердых объектов с вогнутыми поверхностями, являющимися сегментами осесимметричных параболоидов. Обычно эти объекты изготавливаются из стекла. Печь использует известный еще Ньютону принцип, согласно которому форма верхней поверхности вращающейся жидкости под действием центробежной силы представляет собой вогнутый параболоид, идентичный форме главного фокусирующего зеркала отражающего телескопа. Параболоиды могут использоваться различными способами, включая (после нанесения серебряного покрытия) в качестве основных зеркал в отражающих телескопах и солнечных концентраторах.
A rotating furnace is a device for making solid objects which have concave surfaces that are segments of axially symmetrical paraboloids. Usually, the objects are made of glass. The furnace makes use of the fact, which was known already to Newton, that the centrifugal force induced shape of the top surface of a spinning liquid is a concave paraboloid, identical to the shape of a reflecting telescope's primary focusing mirror. Paraboloids can be used in various ways, including (after being silvered) as primary mirrors in reflecting telescopes and solar cookers.
Дизайн
Печь включает в себя механизм, вращающий открытый сверху контейнер вокруг вертикальной оси с постоянной скоростью. В контейнер помещают количество стекла, достаточное для изготовления зеркала, нагревают до полного расплавления, а затем дают остыть, продолжая вращение, пока оно полностью не затвердеет. Когда стекло затвердевает, вращение останавливается, и параболоидальная форма его верхней поверхности сохраняется. Этот процесс называется центробежным литьем. Тот же процесс можно использовать для изготовления линзы с вогнутой параболоидной поверхностью. Другая поверхность формируется контейнером, удерживающим расплавленное стекло, который выполняет роль формы. Линзы, изготовленные таким образом, иногда используются в качестве объективов в рефракционных телескопах. Ось вращения становится осью параболоида. Нет необходимости, чтобы эта ось находилась в центре контейнера со стеклом или даже проходила через него. Смещая контейнер от оси, можно отливать параболоидные сегменты. Это делается при изготовлении очень больших телескопов, зеркала которых состоят из нескольких сегментов.
The furnace includes a mechanism that rotates an open topped container at constant speed around a vertical axis. A quantity of glass sufficient to make the mirror is placed in the container, heated until it is completely molten, and then allowed to cool while continuing to rotate until it has completely solidified. When the glass is solid, the rotation is stopped and the paraboloidal shape of its top surface is preserved. This process is called spin casting. The same process can be used to make a lens with a concave paraboloidal surface. The other surface is shaped by the container that holds the molten glass acting as a mold. Lenses made this way are sometimes used as objectives in refracting telescopes. The axis of rotation becomes the axis of the paraboloid. It is not necessary for this axis to be in the center of the container of glass, or even for it to pass through the container. By placing the container away from the axis, off axis paraboloidal segments can be cast. This is done in the making of very large telescopes which have mirrors consisting of several segments.
Скорость вращения и фокусное расстояние
Фокусное расстояние параболоида связано с угловой скоростью вращения жидкости уравнением: , где — фокусное расстояние, — скорость вращения, а — ускорение свободного падения. На поверхности Земли величина равна примерно 9,81 метра на секунду в квадрате, следовательно, метров на секунду в квадрате. Эквивалентно, поскольку 1 радиан в секунду равен примерно 9,55 оборотам в минуту (RPM), , где — фокусное расстояние в метрах, а — скорость вращения в оборотах в минуту (RPM).
The focal length of the paraboloid is related to the angular speed at which the liquid is rotated by the equation: , where is the focal length, is the rotation speed, and is the acceleration due to gravity. On the Earth's surface, is about 9.81 metres per second squared, so meters per second squared. Equivalently, as 1 radian per second is about 9.55 rotations per minute (RPM), , where is the focal length in metres, and is the rotation speed in RPM.
Применение
Как правило, спин-кастованный параболоид недостаточно точен для непосредственного использования в качестве зеркала или линзы телескопа, поэтому он корректируется с помощью шлифовальных машин с компьютерным управлением. Объем шлифовки и количество отходов стеклянного материала значительно меньше, чем потребовалось бы без вращения. Спин-кастинг также может использоваться, часто с материалами, отличными от стекла, для изготовления прототипов параболоидов, таких как отражатели прожекторов или концентраторы солнечной энергии, которые не требуют такой же точности параболической формы, как зеркала телескопов. Спин-кастинг каждого изготавливаемого параболоида был бы слишком медленным и дорогостоящим, поэтому прототип просто копируется относительно быстро, дешево и с достаточной точностью. Жидкозеркальные телескопы имеют вращающиеся зеркала, состоящие из жидкого металла, такого как ртуть или сплав галлия с низкой температурой плавления. Эти зеркала не затвердевают и используются в жидком, вращающемся состоянии. Вращение придает им форму параболоидов, достаточно точных для использования в качестве первичных отражателей в телескопах. В отличие от спин-кастованных стеклянных зеркал, требующих коррекции из-за искажений, возникающих в процессе и после затвердевания, эти зеркала не нуждаются в такой коррекции.
Generally, a spin cast paraboloid is not sufficiently accurate to permit its immediate use as a telescope mirror or lens, so it is corrected by computer controlled grinding machines. The amount of grinding done, and the mass of glass material wasted, are much less than would have been required without spinning. Spin casting can also be used, often with materials other than glass, to produce prototype paraboloids, such as spotlight reflectors or solar energy concentrators, which do not need to be as exactly paraboloidal as telescope mirrors. Spin casting every paraboloid that is made would be too slow and costly, so the prototype is simply copied relatively quickly and cheaply and with adequate accuracy. Liquid mirror telescopes have rotating mirrors that consist of a liquid metal such as mercury or a low melting alloy of gallium. These mirrors do not solidify and they are used while liquid and rotating. The rotation shapes them into paraboloids that are accurate enough to be used as primary reflectors in telescopes. Compared with spin cast glass mirrors which need correction due to the distortions that arise during and after solidification, these mirrors require no such correction.