DE60211551T2

DE60211551T2 - Verfahren zur herstellung eines elektromagnetischen reflektors

Info

Publication number: DE60211551T2
Application number: DE60211551T
Authority: DE
Inventors: John Old Coach House Keith ORFORD; John Thomas McCOMB; Mary Paula CHADWICK; Louis John OSBORNE; Mark Stephen RANER
Original assignee: University of Durham
Current assignee: University of Durham
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2022-12-17
Also published as: GB0130141D0; ES2265063T3; DE60211551D1; EP1455967B1; EP1455967B9; EP1455967A1; ATE326298T1; AU2002361446A1; WO2003051554A1; US20050037224A1; PL368903A1; JP2005511318A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Reflektoren wie etwa konkave Spiegelelemente zur Verwendung in astronomischen Teleskopen, Solarenergiekonzentratoren etc. und auf Verfahren zum Bilden solcher Reflektoren. Neben optischen Reflektoren ist die Erfindung ebenfalls auf gekrümmte elektromagnetische Strahlungsreflektoren für eine Vielzahl von Zwecken, wie etwa Mikrowellenreflektoren zur Verwendung in der Telekommunikation, anwendbar.
Herkömmliche gekrümmte Spiegelelemente für astronomische Teleskope werden typischerweise durch maschinelles Bearbeiten von festem Glas oder Aluminium gebildet. Dies ist teuer, und die entstehenden Spiegelelemente sind relativ schwer. Herkömmliche Spiegel für sehr große Teleskope (z. B. mit einer Größe von 7 m Durchmesser, wie etwa für Gammastrahlenastronomie erforderlich) müssen als eine Anordnung von Segmenten montiert werden, da es unpraktisch wäre, derartige große Spiegel unter Verwendung herkömmlicher Methoden in einem einzigen Stück zu bilden. Es ist wünschenswert, dass derartige Spiegel leichtgewichtig, kostengünstig und widerstandsfähig sind. Herkömmliche Spiegel sind in all diesen Gesichtspunkten nicht zufriedenstellend.
Es gab frühere Vorschläge zur Herstellung von Spiegeln/Reflektoren, wobei Verbundmaterialien und Ähnliches verwendet wurden, wie durch US-A-5564066 beispielhaft erläutert, jedoch war, aus mehreren Gründen, keiner dieser Vorschläge in der Praxis zufriedenstellend.
US 4,574,457 offenbart die Herstellung eines Reflektors für eine Mikrowellenantenne; der Reflektor hat einen Durchmesser von mehr als 3 m und seine Gestalt wird unter Verwendung einer Anordnung von Säulen, die individuell angeglichen werden können, gebildet.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Bilden eines elektromagnetischen Reflektors mit einer gekrümmten Oberfläche bereitgestellt, das Folgendes beinhaltet:
Bereitstellen einer Form mit einer gekrümmten Oberfläche mit einer Krümmung, die der der erforderlichen gekrümmten Oberfläche entgegengesetzt ist;
Bereitstellen einer Vakuumquelle, die mit der gekrümmten Oberfläche der Form in Kommunikation steht;
Auflegen eines flexiblen, im Allgemeinen ebenen Teils, das die erforderliche gekrümmte Oberfläche zu der entgegengesetzt gekrümmten Oberfläche der Form bilden soll;
Betreiben der Vakuumquelle, um den Raum zwischen dem ebenen Teil und der Form zu evakuieren, so dass sich das ebene Teil eng der gekrümmten Oberfläche der Form anpasst; und
während des fortlaufenden Betreibens der Vakuumquelle, Binden einer vorderen Oberfläche eines strukturell steifen Basisteils an die freiliegende Oberfläche des ebenen Teils, die der Oberfläche, die mit der Form in Kontakt ist, entgegengesetzt ist;
dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Oberfläche der Form mit Ausnahme von mindestens einer Vakuumöffnung kontinuierlich ist.
Die Vakuumquelle kann deaktiviert werden, sobald jegliches Bindemittel, das zum Binden des Basisteils an das ebene Teil verwendet wird, ausgehärtet worden ist.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise ferner das Binden von mindestens einem peripheren Mantelteil an eine periphere Oberfläche des Basisteils und von mindestens einem im Allgemeinen ebenen Mantelteil an die hintere Oberfläche des Basisteils. Vorzugsweise wird dies ausgeführt während sich das Basisteil in situ auf der Form befindet und bestenfalls während die Vakuumquelle in Betrieb ist.
Der elektromagnetische Reflektor, der durch das Verfahren gebildet wird, ist in der Draufsicht typischerweise kreisförmig, kann aber andere Gestalten, wie etwa teilweise kreisförmige Segmente oder geometrische (polygonale) Gestalten, z. B. sechseckige, achteckige etc. oder dreieckige Segmente von polygonalen Gestalten etc. aufweisen.
Die gekrümmte Oberfläche ist typischerweise mindestens teilweise konkav oder kann mindestens teilweise konvex sein. Dies umfasst Oberflächen von hybrider oder unregelmäßiger Gestalt, die sowohl konkave als auch konvexe Facetten umfassen können.
Das Basisteil wird vorzugsweise aus einem steifen Material von geringer Dichte, vorzugsweise einem Wabenmaterial und bestenfalls einem Wabenmaterial aus Aluminium oder Aluminiumlegierung gebildet.
Das flexible ebene Teil ist vorzugsweise ein reflektierendes Teil, das vorzugsweise ein dünnes Metallblech, besser ein dünnes Blech aus Aluminium oder Aluminiumlegierung und bestenfalls ein Blech aus eloxiertem und beschichtetem Aluminium beinhaltet.
Die Mantelteile werden vorzugsweise ebenfalls aus Aluminium oder Aluminiumlegierung gebildet.
Die Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Querschnittsseitenansicht ist, die die Art und Weise, auf die ein Reflektor gemäß der Erfindung gebildet wird, darstellt; und
2 eine Draufsicht einer Form, wie in 1 gezeigt, ist.
Nun wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, wobei ein kreisförmiger gekrümmter Reflektor 10 ein Basisteil 12, ein reflektierendes Teil 14, ein peripheres (kranzförmiges, ringförmiges) Mantelteil 16 und ein ebenes Mantelteil 18 beinhaltet. Das Basisteil 12 weist eine im Allgemeinen ebene hintere Oberfläche, eine vordere Oberfläche (anliegend an dem reflektierenden Teil 14) und eine kranzförmige periphere Oberfläche auf. Die vordere Oberfläche des Basisteils kann gestaltet werden, um sich ungefähr an die erforderliche Krümmung der reflektierenden Oberfläche (insbesondere dort, wo die Krümmung relativ groß ist) anzupassen oder kann im Wesentlichen eben (insbesondere dort, wo die Krümmung relativ klein ist) sein.
Das reflektierende Teil 14 beinhaltet ein dünnes flexibles Blech aus reflektierendem Material, das an die vordere Oberfläche des Basisteils 12 gebunden wird. Die erforderliche Krümmung des reflektierenden Teils 14 wird vor dem Binden der vorderen Oberfläche des Basisteils 12 daran durch ein Vakuum, das das reflektierende Teil 14 einer Form 20 bildet, erhalten, wie unten detaillierter beschrieben wird.
Die Mantelteile 16, 18 werden an die anderen äußeren Oberflächen des Basisteils 12 (und an die Peripherie des reflektierenden Teils 14 im Fall des kranzförmigen Mantelteils 16) gebunden.
Damit der Reflektor gute thermische Beständigkeit bieten kann, ist es vorzuziehen, dass alle seine Komponenten aus den gleichen oder ähnlichen Materialien oder aus Materialien, die ähnliche Wärmeeigenschaften aufweisen, gebildet werden. Es ist ebenfalls wünschenswert, dass das Gewicht des Reflektors minimiert wird. Aus diesem Grund sind Aluminium oder Aluminiumlegierung das bevorzugte Material für das Basisteil 12, das reflektierende Teil 14 und die Mantelteile 16 und 18, und die Komponenten werden unter Verwendung eines Epoxidmaterials, das ähnliche Wärmeeigenschaften wie Aluminium aufweist, was zum Beispiel in der Luft-und Raumfahrtindustrie wohlbekannt ist, zusammengebunden.
Das Basisteil 12 beinhaltet vorzugsweise ein steifes Wabenmaterial aus Aluminium, wie es etwa für Bauteile in Flugzeugen verwendet wird. Das Format der Wabenzellen sollte klein genug sein, um die Bildung signifikanter Flachstellen in der reflektierenden Oberfläche zu vermeiden, wenn das reflektierende Teil daran gebunden wird. Das reflektierende Teil 14 beinhaltet vorzugsweise ein dünnes Blech aus eloxiertem Aluminium, bestenfalls aus eloxiertem und beschichtetem Aluminium (z. B. nach dem Eloxieren mit TiO₂ oder mit Quarz beschichtet). Die Dicke des reflektierenden Teils wird durch sein Erfordernis, durch ein Vakuum umgestaltet zu werden, um sich an die Oberfläche der Form 20 anzupassen, und durch den Bedarf, die Bildung von Flachstellen zu vermeiden, was von dem Format der Wabenzellen des Basisteils abhängt, bestimmt. Die erforderliche Genauigkeit der Reflektoroberfläche hängt wiederum von deren geplanter Anwendung ab. Das bedeutet, dass die Dicke des reflektierenden Blechs und das Format der Wabenzelle voneinander abhängig sind und wiederum von der erforderlichen Genauigkeit der Reflektoroberfläche abhängen. Für eine Oberfläche mit hoher Genauigkeit zur Verwendung in Spiegeln astronomischer Teleskope kann das reflektierende Teil geeigneterweise eine Größenordnung von 0,8 mm in der Dicke aufweisen, wenn es mit einem Basisteil mit einem Format der Wabenzelle in einer Größenordnung von 0,25 Inch (6,35 mm) verwendet wird. Im Allgemeinen liegt die Dicke des reflektierenden Teils wahrscheinlich in dem Bereich von 0,5 bis 2 mm. Ein Beispiel eines geeigneten Wabenmaterials aus Aluminium ist 3003 Aluminium, Zellformat 0,25 Inch (6,35 mm), Gauge der Folie 0,0015 Inch (0,038 mm), Nenndichte 3,4 Ib/ft³ (54,5 kg/m³), mit einer Dicke von 25 mm (abhängig von dem Format des Reflektors).
Die Kombination aus dem reflektierenden Teil 14 und dem Basisteil 12 bietet eine gute Steifigkeit. Die Mantelteile 16 und 18 werden in erster Linie bereitgestellt, um die Strukturunversehrtheit zu unterstützen und die Wabe des Basisteils gegen das Eindringen von Feuchtigkeit etc. zu schützen, das Anbringen anderer mechanischer Zubehöre daran zu erleichtern und Benutzer gegen Kontakt mit den scharfen Kanten des Wabenmaterials zu schützen. Der Mantelring 16 kann geeigneterweise eine Größenordnung von 2 mm in der Dicke aufweisen, mit einer Tiefe, die der Dicke der gebundenen Basis entspricht. Die hintere Mantelplatte 18 kann geeigneterweise eine Größenordnung von 2 mm in der Dicke aufweisen.
Der Reflektor wird folgendermaßen montiert.
Eine Form 20 wird durch eine aus einer Vielzahl von bekannten Methoden mit einer mit Genauigkeit gekrümmten Oberfläche gebildet, die zu der erforderlichen Reflektoroberfläche komplementär ist. Zumindest eine Vakuumöffnung 22 erstreckt sich durch die Form 20, um mit der gekrümmten Oberfläche in Kommunikation zu stehen, und ist mit einer Vakuumquelle (nicht gezeigt) verbunden. Das reflektierende Teil 14 wird auf das obere Ende der Form 20 gelegt und wird durch ein Abdichtungsteil 24 wie etwa ein O-Ring daran abgedichtet. Die Krümmung der Form 20 ist in 1 übertrieben dargestellt. Das reflektierende Teil 14 ist flexibel genug, um mit dem Abdichtungsteil 24 um die Peripherie der Form 20 in Kontakt zu sein, wenn das Teil 14 lediglich auf das obere Ende der Form gelegt wird (falls erforderlich, könnte Druck um die Peripherie des reflektierenden Teils 14 angewandt werden, um eine Abdichtung zwischen dem Teil 14, dem Abdichtungsteil 24 und der Form 20 herzustellen).
Die Vakuumquelle wird betrieben, um den Raum zwischen der Form 20 und dem reflektierenden Teil 14 zu evakuieren, wobei das reflektierende Teil 14 dazu veranlasst wird, sich umzugestalten und sich eng an die gekrümmte Oberfläche der Form anzupassen.
Die Oberfläche der Form 20 kann mit einer oder mehreren Nuten (nicht gezeigt) versehen werden, um die schnelle und gleichmäßige Evakuierung von Luft zwischen der Form 20 und dem reflektierenden Teil 14 zu fördern. Das Ausmaß derartiger Nuten wird so ausgewählt, dass es klein genug ist, um jegliche unerwünschte Umgestaltung des reflektierenden Teils 14 zu vermeiden. Es versteht sich, dass die erwünschte Umgestaltung des reflektierenden Teils 14, um sich an die Oberfläche der Form 20 anzupassen, Kunststoff- und/oder elastische Umgestaltung beinhalten kann, abhängig von dem Material des reflektierenden Teils 14 und/oder dem Grad der Krümmung.
Während das Vakuum beibehalten wird, wird die vordere Oberfläche des Basisteils 12 an die entgegengesetzte Oberfläche des reflektierenden Teils 14 gebunden. Sobald das Bindemittel ausgehärtet ist, kann das Vakuum entfernt werden. Falls notwendig, kann die vordere Oberfläche des Wabenbasisteils 12 vorgeformt werden (z. B. durch Zerdrücken), um sich ungefähr an die erforderliche Gestalt der reflektierenden Oberfläche anzupassen. Falls die erforderliche Krümmung klein ist, kann die vordere Oberfläche des Basisteils 12 im Wesentlichen eben sein, und die Dicke des Bindemittels kann variieren, um mit der Krümmung des reflektierenden Teils 14 übereinzustimmen.
Das reflektierende Teil 14, wie eingangs auf die Form aufgelegt, ist in Bezug auf das Basisteil 12 leicht überdimensional und kann anschließend zurechtgestutzt werden.
Die Mantelteile 16 und 18 werden vorzugsweise an das Basisteil 12 und das reflektierende Teil 14 gebunden, während sie sich in situ auf der Form befinden und während die Vakuumquelle in Betrieb ist. Vorzugsweise wird Druck mindestens auf die hintere Oberfläche der Montage angewandt, während das Bindemittel aushärtet, um guten Kontakt zwischen dem Basisteil, dem Bindemittel und dem reflektierenden Teil sicherzustellen.
Aluminium oder Aluminiumlegierung sind das bevorzugte Material für alle der Komponenten, aber andere Materialien, wie etwa Kohlenstofffaser, könnten, abhängig von der geplanten Auflegung des Reflektors, verwendet werden.
Die Oberfläche der Form 20 kann mit ausreichender Genauigkeit so gebildet werden, dass keine Nachbearbeitung der Reflektoroberfläche notwendig ist. Falls erforderlich, kann abschließendes Abschleifen und/oder Beschichten der Reflektoroberfläche durchgeführt werden.
Verbesserungen und Abwandlungen können angebracht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ein Verfahren zum Bilden eines elektromagnetischen Reflektors (10) mit einer gekrümmten Oberfläche, das Folgendes beinhaltet: Bereitstellen einer Form (20) mit einer gekrümmten Oberfläche mit einer Krümmung, die der der erforderlichen gekrümmten Oberfläche entgegengesetzt ist; Bereitstellen einer Vakuumquelle, die mit der gekrümmten Oberfläche der Form (20) in Kommunikation steht; Auflegen eines flexiblen, im Allgemeinen ebenen Teils (14), das die erforderliche gekrümmte Oberfläche zu der entgegengesetzt gekrümmten Oberfläche der Form (20) bilden soll; Betreiben der Vakuumquelle, um den Raum zwischen dem ebenen Teil (14) und der Form (20) zu evakuieren, so dass sich das ebene Teil (14) eng der gekrümmten Oberfläche der Form (20) anpasst; und während des fortlaufenden Betreibens der Vakuumquelle, Binden einer vorderen Oberfläche eines strukturell steifen Basisteils (12) an die freiliegende Oberfläche des ebenen Teils (14), die der Oberfläche, die mit der Form (20) in Kontakt ist, entgegengesetzt ist; dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Oberfläche der Form (20) mit Ausnahme von mindestens einer Vakuumöffnung (22) kontinuierlich ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner das Deaktivieren der Vakuumquelle umfasst, sobald ein Bindemittel, das zum Binden des Basisteils (12) an das ebene Teil (14) verwendet wird, ausgehärtet worden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, das ferner das Binden von mindestens einem peripheren Mantelteil (16) an eine periphere Oberfläche des Basisteils (12) und/oder von mindestens einem im Allgemeinen ebenen Mantelteil (18) an eine hintere Oberfläche des Basisteils (12) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das mindestens eine periphere Mantelteil (16) an die periphere Oberfläche des Basisteils (12) gebunden wird und/oder das mindestens eine im Allgemeinen ebene Mantelteil (18) an die hintere Oberfläche des Basisteils (12) gebunden wird, während sich das Basisteil (12) in situ auf der Form (20) befindet.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das mindestens eine periphere Mantelteil (16) an die periphere Oberfläche des Basisteils (12) gebunden wird und/oder das mindestens eine im Allgemeinen ebene Mantelteil (18) an die hintere Oberfläche des Basisteils (12) gebunden wird, während sich das Basisteil (12) in situ auf der Form (20) befindet und während die Vakuumquelle in Betrieb ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gestalt des elektromagnetischen Reflektors (10), der durch das Verfahren gebildet wird, in Draufsicht kreisförmig oder ein teilweise kreisförmiges Segment oder polygonal oder ein dreieckiges Segment von polygonaler Gestalt ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gekrümmte Oberfläche mindestens teilweise konkav ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die gekrümmte Oberfläche mindestens teilweise konvex ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basisteil (12) aus einem steifen Material von geringer Dichte gebildet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Material von geringer Dichte ein Wabenmaterial ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Wabenmaterial ein Wabenmaterial aus Aluminium oder Aluminiumlegierung ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das flexible ebene Teil (14) ein reflektierendes Teil ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das reflektierende Teil (14) ein dünnes Metallblech beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das dünne Metallblech ein dünnes Blech aus Aluminium oder Aluminiumlegierung beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Blech aus Aluminium oder Aluminiumlegierung ein Blech aus eloxiertem Aluminium oder eloxierter Aluminiumlegierung oder ein Blech aus eloxiertem und beschichtetem Aluminium oder eloxierter und beschichteter Aluminiumlegierung beinhaltet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an die Basisteile (12) gebundene Mantelteile (16, 18) aus Aluminium oder Aluminiumlegierung gebildet sind.