Посмотрите, как делают стекла для самых больших телескопов

В 2018 году «Популярная механика» побывала на Лыткаринском заводе оптического стекла, где делают зеркала для самых больших мировых телескопов.

Неподалеку от Москвы, чуть в стороне от небольшого городка Лыткарино, над подмосковным лесом возвышается массивная 72-метровая башня, на стене которой изображен символ, очень напоминающий знаменитое «Всевидящее око». Но, конечно же, мистика к этому не имеет никакого отношения — это логотип Лыткаринского завода оптического стекла. Хотя и «Всевидящее око» было бы здесь весьма уместно: ведь именно на ЛЗОС, входящем сейчас в состав холдинга «Швабе», изготавливают зеркала для самых больших телескопов мира, с помощью которых человечество заглядывает на миллиарды световых лет в глубины нашей Вселенной. Впрочем, на ЛЗОС делают не только зеркала и не только для телескопов: ассортимент оптических материалов, элементов и приборов насчитывает не одну сотню позиций.

Просмотр доступен только для зарегистрированных пользователей

Все начинается с горшка

Путь любого оптического элемента начинается со стекловаренного сосуда (горшка). Это большой керамический тигель объемом 500 либо 700 л, который предварительно высушивают и обжигают в специальной печи («каленнице») при температуре около 1000 °C. После такого обжига сосуд переносят в газовую горшковую печь, разогревают до определенной температуры, а затем загружают стеклобой (остатки стекла того же сорта от предыдущих варок). Это стекло расплавляется и растекается по стенкам горшка, обеспечивая дополнительную защиту при варке. Затем в стекловаренный сосуд загружают шихту — порошкообразную смесь оксида кремния (кварцевого песка), оксида свинца, борной кислоты, оксида (или гидроксида) алюминия и других ингредиентов (точная рецептура зависит от сорта стекла), после чего начинается процесс варки, продолжающийся обычно несколько суток. Температура варки для различных сортов стекла различна: флинты (стекла с высоким показателем преломления, содержащие оксиды свинца) низкотемпературные, они варятся при 1400 °C, а кроны (натриево-силикатные стекла с низким показателем преломления) требуют более высоких температур, достигающих 1570 °C. В процессе варки расплавленное стекло непрерывно перемешивают с помощью специальной керамической мешалки, чтобы стекло получилось гомогенным по химическому составу.

Ничего лишнего

«Оптическое стекло должно содержать очень мало включений, буквально единицы на килограмм, — говорит начальник бюро стекловарения ЛЗОС Михаил Гулюкин. — Но при варке в стекломассе образуется множество пузырьков. Крупные пузыри всплывают, а вот мелкие нужно удалить. Для этого в конце варки на этапе так называемого осветления расплавленную стекломассу размешивают деревянной чуркой, вымоченной в воде, или, как делали это наши деды, сырой картофелиной. Вода закипает, образуется много водяного пара и других газов, расплав бурлит, крупные пузыри поднимаются вверх, захватывая мелкие пузырьки и другие включения, — происходит, выражаясь техническим языком, процесс барботирования. Это бурление перемешивает расплав, помогая его гомогенизировать, то есть сделать однородным по составу и по температуре».

В процессе варки несколько раз берутся пробы стекломассы, которые контролируются на наличие включений. «Когда масса разогрета и светится, включения могут быть видны даже невооруженным глазом, — объясняет Михаил Гулюкин. — Но в любом случае после остывания образцы проверяют в лаборатории на специальном приборе — нефелометре, который измеряет рассеяние света на включениях в составе стекла». В процессе же самой варки в газовых горшковых печах автоматически контролируется более 20 параметров. Не менее строгий контроль и на других печах завода — с электрическим индукционным нагревом и небольших ванных.

Медленно остыть

Когда варка заканчивается (на ЛЗОС говорят «закрывается»), к печи подъезжает шаржирный кран, предназначенный для загрузки и выгрузки горшков, и с помощью манипулятора вынимает горшок из печи. Горшок «отряхивают» от прилипшего к его дну песка (на подушке из которого он стоит в печи), а также удаляют «стяжку» — слегка остывшую верхнюю «корочку», в которой скапливается большинство включений, захваченных всплывающими пузырями. После этого расплавленное стекло выливают в форму.

«Включения не единственные дефекты оптического стекла, — говорит Михаил Гулюкин. — Если стекломассу плохо перемешать, то из-за неравномерности химического состава в стеклянной отливке образуются свили — области с другим показателем преломления. Оптические неоднородности в стекле могут возникнуть и по причине неравномерного охлаждения. Более того, при быстром охлаждении в стекле возникают значительные механические напряжения, которые могут просто разрушить стеклянную отливку». Поэтому сразу после отлива форму с горячим полужидким стеклом помещают в специальную печь, где начинается грубый отжиг — так называется процесс очень медленного (буквально несколько градусов в сутки) контролируемого равномерного охлаждения отливки. Он занимает недели, порой месяцы, но затраты времени оправданны: при таком процессе внутренние напряжения минимизируются, так что по окончании отжига отливка остается целой (внутренние напряжения также влияют на оптическую однородность стекла).

Тонкая наводка

После грубого отжига производится контроль отливки на специальном приборе — поляриметре, позволяющем визуализировать картину внутренних напряжений в поляризованном свете. Из отливки выбирают область с наименьшим количеством дефектов, вырезают ее и приступают к финальной стадии термообработки, тонкому отжигу. Эта операция занимает около месяца, ее задача — придать заготовке равновесную структуру, чтобы температурные колебания как можно меньше влияли на оптические свойства. Для некоторых оптических материалов (в частности, стекол для светофильтров) во время тонкого отжига проводится операция «наводки» — специальная термообработка для создания упорядоченных структур, придающих стеклу нужные спектральные характеристики.

При охлаждении крупных (более 50 см) заготовок для деталей астрономических инструментов грубый и тонкий отжиг обычно совмещают. Для зеркал телескопов оптическая однородность материала отходит на второй план по сравнению с термомеханическими свойствами. Чтобы температура меньше влияла на форму зеркал, их изготавливают не из стекла, а из астроситалла, прочного стеклокерамического материала с почти нулевым коэффициентом температурного расширения.

Надежный тыл

Но пока что мы имели дело только с блоком из оптического стекла или стеклокерамики. Чтобы превратить его в деталь оптического инструмента, нужно придать его рабочей поверхности нужную форму (для телескопов обычно вогнутую сферическую или асферическую). «Обработку крупных зеркал начинают с задней поверхности, — рассказывает инженер-конструктор конструкторско-технологического бюро НПК-95 (научно-производственного комплекса) крупногабаритной оптики ЛЗОС Николай Добриков. — Задача — получить не просто зеркало, а максимально легкое и максимально жесткое зеркало, поэтому мы на станках с ЧПУ с помощью алмазных фрез выбираем лишний материал с тыльной поверхности, создавая вместо сплошного массива ажурную жесткую несущую структуру. Сейчас таким способом мы можем облегчить зеркало на 80% по сравнению со сплошным». Заднюю поверхность шлифуют или полируют — иногда на нее крепят дополнительные датчики или оптические элементы, необходимые для юстировки.

Свет мой, зеркальце

Обработка поверхности начинается с придания ей первоначальной формы — вогнутой сферической или асферической — в виде небольших ступенек на станках с ЧПУ. Затем ступеньки сошлифовываются, рабочую поверхность постепенно выравнивают, переходя на более мелкий абразив, и полируют. «Отклонение от заданной поверхности для зеркала телескопа должно быть порядка десятков нанометров, — говорит Николай Добриков. — Поэтому после каждого этапа полировки точность обработки контролируется интерферометром, а полученная интерферограмма расшифровывается в карту поверхности, на основании которой составляется программа обработки для станка с ЧПУ».

Полировать зеркала можно не только механически. В соседнем цехе расположена установка ионно-лучевой обработки, которая полирует поверхность пучком ионов аргона и ксенона. А рядом — камера напыления покрытий, где на уже готовую плоскость зеркала с помощью магнетронного распыления в скрещенных электрических и магнитных полях наносят многослойные (сотни слоев толщиной порядка 2 нм каждый) покрытия, которые и будут отражать свет далеких звезд.
ПМ

Круто, но причем здесь Фёдор Бори́сович Шва́бе?

Добавим. Многим так легче воспринимать

Просмотр доступен только для зарегистрированных пользователей

dinogen писал(а):

Круто, но причем здесь Фёдор Бори́сович Шва́бе?

Потому что имя Ломоносова уже было занято московским университетом, а называть холдинг именем Вавилова (например) идёт вразрез с политикой современных российских властей (любителей всего имперского и ненавистников всего советского).

Литьё стекла очень красивое действо, сродни какому-то колдунству. Интересно, какая цена квадратного сантиметра, потому как "может остывать в течении одного-двух лет" и последующая обработка прям поразили, процесс этот думаю очень не дешёвый.

Casablanka писал(а):

называть холдинг именем Вавилова (например) идёт вразрез

так тут про оптику, а Вавилов вроде ботаник-генетик, и конец жизни у него так себе, могут возникнуть вопросы. Но да, называть высокотехнологичное производство именем купца - такое себе решение.

Спасибо!
Некоторые вещи помню (про остальные почитал с интересом), так как в 4-5 классах школы увлекался телескопостроением.
Сначала возился с рефракторами, искал подходящие стёкла, а по вечерам в тёмной комнате измерял фокусные расстояния и вычислял диоптрии.
:смех:

Сконструировал кучу разных вариантов. Правда, в основном, проектировал на бумаге, так как в советское время было трудно достать необходимые компоненты. Потом переключился на рефлекторы и даже пытался сделать самодельные вогнутые зеркала, пытаясь нанести светоотражающее напыление на резину одетую на стальную ёмкость из которой частично откачивался воздух. :убится ап стену:

Потом всё сошло на нет в виду неудовлетворительых результатов опытов.
Всё это было очень увлекательно тогда. Сейчас смешно вспоминать.
:смех:

dinogen писал(а):

Круто, но причем здесь Фёдор Бори́сович Шва́бе?

Ну, так ведь холдинг-то оптический. А Швабе оптикой занимался.
Не Гамбургером же холдинг называть? (хотя он тоже достойный человек)
:задумался:

Casablanka писал(а):

dinogen писал(а):

Круто, но причем здесь Фёдор Бори́сович Шва́бе?

Потому что имя Ломоносова уже было занято московским университетом, а называть холдинг именем Вавилова (например) идёт вразрез с политикой современных российских властей (любителей всего имперского и ненавистников всего советского).

В целом с мыслью согласен, но имя Вавилова здесь, - не совсем удачный пример.
Думаю, что немалую роль сыграло и звучание немецкоязычной фамилии, которая на русское ухо производит определённый эффект. Никакого "преклонения перед заграницей" или иностранцами, просто звучит необычно (тем более, что многие из них обрусевшие немцы).
Ну, возьмите например, "Иван Фёдорович Крузенштерн" или "Фаддей Фаддеевич Беллинсгаузен".
Даже если отбросить знание о их засугах, то всё-равно, как впечатляюще звучат эти фамилии! А?!

Seville-NNM писал(а):

Casablanka писал(а):

называть холдинг именем Вавилова (например) идёт вразрез

так тут про оптику, а Вавилов вроде ботаник-генетик...

Я имел в виду Сергея Ивановича Вавилова, великого советского физика. Он стал отцом-основателем целой школы физической оптики. Вавилов является соавтором открытия эффекта Вавилова-Черенкова, за которое впоследствии (уже после смерти Сергея Ивановича) была получена Нобелевская премия. Лауреат четырёх (!) Сталинских премий. Возглавлял ГОИ, Всесоюзное общество «Знание», главред Большой Советской экциклопедии (2-е издание). Помимо того, что был физик уровня Капицы, так ещё и просветитель.

Сделал для своей страны побольше, чем купец-энтузиаст астрономии. Но Чемезову лучше знать, чьим именем свой холдинг называть.