Die mechanische Stabilität spektroskopischer Aufbauten II

Einleitung

Im ersten Teil dieses Beitrags haben wir bei spektroskopischen Aufbauten die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen Teleskop und Spektrograf behandelt. Hierbei kam es auf die geeignete Halterung des Spektrografengehäuses an. In diesem zweiten Teil liegt der Schwerpunkt der Simulationen auf der Konstruktion des Spektrografengehäuses selbst. Mit den Ergebnissen aus beiden Teilen dieses Beitrags kann man spektrografische Aufbauten realisieren, die sich bei einer Kameramasse von 3 kg weniger als 1 µm durchbiegen.

Der Ausgangspunkt der Berechnungen

Wir starten unsere Simulationen mir einem Gehäuse aus Aluminium, das am Teleskop mit einer 2"-Nase befestigt ist (Bild 4).

Alu-Gehäuse mit großer Durchbiegung
Bild 5: Der Ausgangspunkt für die Optimierungen

Die FEM-Simulation zeigt in diesem Fall  eine Durchbiegung von ca. 90 µm am Ort der Kamera bei einer Kameramasse von 3 kg. Dieses ist für genaue Spektralmessungen nicht akzeptabel.

Einige Grundlagen der Mechanik

Um die Konstruktion zu verbessern, haben wir uns zunächst mit zwei wichtigen Materialparametern beschäftigt. Hierzu haben wir nach einem Material gesucht, das eine geringe Dichte ρ [g/cm³] sowie einen großen E-Modul E [GPa] (hohe Steifigkeit) besitzt. Karbon-Faser-Platten erfüllen diese Anforderungen und haben für unseren Zweck deutlich bessere Eigenschaften als z.B. Aluminium, Titan oder rostfreier Stahl [5]. Positiv ist auch der geringe Wärmeausdehnungs-Koeffizient (Faktor 40 geringer als bei Aluminium).

Eine weitere Möglichkeit, die Durchbiegung eines Gehäuses zu minimieren, ist die Optimierung der Geometrie. Eine geringe Durchbiegungen eines Bauteils bei Belastung erreichen wir (neben einem großen E-Modul als Materialeigenschaft) durch ein großes Flächenträgheitsmoment [6]. Mit großen Querschnitten und geeigneten Kraftrichtungen erreichen wir geringe Durchbiegungen.  Die technischen und mathematischen Grundlagen zu diesem Thema finden wir
in [7].

Das verbesserte Design

Wir haben zur Optimierung des Gehäuses in verschiedenen Geometrien Wandstärken verändert und Verstärkungs-Elemente angebracht und bei jeder Version die Durchbiegung simuliert. Eine Gehäuse-Version, die unseren Forderungen entspricht und sich auch mit einfachen Mitteln fertigen lässt, sehen wir in Bild 5.

Optimiertes Karbon-Gehäuse
Bild 6: Das optimierte Design mit geringer Durchbiegung

Die Ankopplung des Spektrografen-Gehäuses an den Okularauszug erfolgt großflächig über eine M 68-Schraubverbindung. Die Einheit zur Spaltbeobachtung wurde in das Gehäuse integriert und erhöht die Steifigkeit. Bei einer angenommenen Kameralast von 30 N ( 3 kg Masse) haben wir so eine Durchbiegung von 0,5 µm am Ort der Kamera erreicht. Die Masse des Gehäuses beträgt in dieser Ausführung 1,7 kg. In [7] finden wir weitere Gehäuse-Varianten mit geringerem Gewicht aber größerer Durchbiegung.

Zusammenfassung

Bei Beachtung aller in diesem Beitrag behandelten Konstruktionsprinzipien können wir sehr stabile spektroskopische Gehäuse realisieren (siehe Titelbild). Wir müssen jedoch auch die anderen Elemente des ganzen Aufbaus kritisch untersuchen. Der Okularauszug muss in jedem Fall durch die im Teil I dieses Beitrags vorgeschlagenen Maßnahmen entlastet werden. Weitere Schwachstellen sind das Teleskop-Gehäuse und die Montierung. Wir können allen diesen Problemen aus dem Wege gehen, wenn wir den Spektrografen über eine Faser an das Teleskop ankoppeln. Das verringert jedoch die Empfindlichkeit durch optische Verluste in der Faser und an Grenzflächen und erhöht das Rauschen des aufgezeichneten Spektrums durch Modenrauschen [8].

Referenzen

[5] Materialbibliothek des Programms Inventor von Autodesk

[6] https://de.wikipedia.org/wiki/Flächenträgheitsmoment

[7] Berlemann, J.: The Mechanical Stability of Spectroscopic Setups,
Part II. http://spektroskopie.fg-vds.de/pdf/Spektrum52.pdf

[8] Sablowski, D.:Grundlagen optischer Wellenleiter in der astrophysikalischen Spektroskopie, http://spektroskopie.fg-vds.de/pdf/Grundlagen_LWL.pdf

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