ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА НА КОНСТРУКТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА
УДК 681.7
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА НА КОНСТРУКТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА
© 2009 г. А. М. Савицкий
ОАО “ЛОМО”, Санкт- Петербург
На примере космического телескопа, построенного по схеме Ричи–Кретьена с линзовым корректором, рассматриваются температурные параметры элементов конструкции телескопа, влияющие на пространственное положение оптических компонентов. Приводятся принципы построения корректирующих систем и результат конкретной реализации системы обеспечения температурного режима.
Ключевые слова: космические телескопы, тепловой режим телескопа.
Коды OCIS: 350. 6090.
Поступила в редакцию 25.06.2009.
Введение
К современным крупногабаритным космическим телескопам для оптико-электронных камер, предназначенных для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), предъявляются крайне высокие требования к качеству изображения: среднеквадратическая деформация волнового фронта (Wскв) на орбите не должна превышать 0,1λ, где λ = 0,6328 мкм. Существует целый ряд дестабилизирующих факторов, воздействующих на телескоп и снижающих качество изображения. Наиболее существенными из них являются [1, 2]: силовые и вибрационные воздействия на телескоп на этапе его вывода на орбиту, перераспределение напряжений и деформаций конструкции, обусловленных переходом от сил тяготения в наземных условиях к отсутствию сил тяжести на орбите; ионизирующее излучение естественных радиационных поясов Земли, изменение температуры и температурные перепады на элементах конструкции, вызывающие термодеформации [3, 4]. Дестабилизирующие факторы приводят к смещениям и наклонам оптических компонентов, что вызывает снижение качества изображения. Для минимизации и исключения погрешности взаимного расположения оптических компонентов в телескопах предусматриваются системы автоматической фокусировки (САФ) и юстировки (САЮ). Эти системы предназначены для измерения децентрировок компонентов (смещений, наклонов) и их коррекции.
Одним из наиболее существенных дестабилизирующих факторов являются температурные возмущения, вызывающие термодеформации конструкции телескопа и его элементов. Для уменьшения влияния температурных возмущений предусматривается система обеспечения температурного режима (СОТР), представляющая собой комплекс радиационных панелей, электронагревателей, управляющих термодатчиков, тепловых труб, термоизоляционных покрытий и др.
В настоящей статье на основе опыта создания на “ЛОМО” крупногабаритных космических телескопов рассматриваются температурные параметры элементов конструкции телескопа, влияющие на пространственное положение оптических компонентов.
Оптическая и конструктивная схемы крупногабаритных телескопов
Оптическая система крупногабаритных космических телескопов с диаметром входного зрачка – диаметром главного зеркала (ГЗ) – более 1 м обычно строится по схеме Ричи–Кретьена, состоящей из гиперболических ГЗ и вторичного зеркала (ВЗ), а также линзового корректора полевых аберраций (КПА). Конструктивно схема выполнена таким образом, что ГЗ, КПА и фокальный узел расположены вблизи друг от друга и составляют единый нерасстраиваемый оптико-механический модуль. Поскольку ВЗ удалено от ГЗ, оно требует постоянного контроля за его положением относительно оптической оси ГЗ.
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
89
Конструктивно телескоп (рис. 1) состоит из главного зеркала 1, закрепленного в оправе 2, являющейся одновременно основным силовым элементом – опорным шпангоутом телескопа, с помощью которого осуществляется его стыковка с космическим аппаратом КА. Вторичное зеркало 3, установленное на узле приводов вторичного зеркала 4, при помощи четырех растяжек 5 закреплено на несущей конструкции телескопа 6. Несущая конструкция телескопа (НКТ) выполнена в виде цилиндрической оболочки, один из фланцев которой прикреплен к опорному шпангоуту, а второй является местом установки узла ВЗ. При этом для обеспечения заданного расстояния между ГЗ и ВЗ вдоль НКТ установлены четыре инваровых стержня 7, одни концы которых жестко закреплены на опорном шпангоуте, а вторые крепятся к специальным кареткам, которые обеспечивают возможность их свободного перемещения вдоль продольной оси НКТ.
Крепление растяжек узла ВЗ осуществляется непосредственно к кареткам, чем и обеспечивается неизменность расстояния между ГЗ и ВЗ.
С тыльной стороны опорного шпангоута установлен линзовый корректор 8 для исправления полевых аберраций. С той же стороны установлен приборный отсек 9 и закрепленный на нем фокальный узел с приемниками изображений 10. На внутренней поверхности НКТ установлены два световозвращателя 11 системы автоматической фокусировки.
6 72
9 10
Системы автоматической юстировки и фокусировки
Возможные варианты построения САЮ и САФ приведены в статье [1].
Алгоритм работы систем заключается в том, что перед каждым сеансом наблюдения проводятся измерение пространственного положения оптических компонентов телескопа и на основании этого перемещение корректирующего элемента оптической системы, в данном случае ВЗ.
Принцип работы измерительной системы САЮ показан на рис. 2.
На тыльной поверхности ГЗ (1) установлено контрольное плоское зеркало 3, а на ВЗ (2) – контрольное зеркало 4. Автоколлиматор 5 через зеркальный ромб 6 принимает одновременно автоколлимацию от зеркал 3 и 4, измеряя углы заклона ВЗ относительно ГЗ. Поперечное смещение ВЗ перпендикулярно оптической оси измеряется с помощью автоколлимационного микроскопа 7 и триппель-призмы 8, установленной на ВЗ.
4 2
8
1 3
5
6
7
Рис. 2. Система автоматической юстировки. 1 – главное зеркало, 2 – вторичное зеркало, 3 и 4 – контрольные плоские зеркала, 5 – автоколлиматор, 6 – зеркальный ромб, 7 – автоколлимационный микроскоп, 8 – трипель-призма.
54
3 11
18
Рис. 1. Конструктивная схема телескопа. 1 – главное зеркало, 2 – оправа главного зеркала, 3 – вторичное зеркало, 4 – приводы вторичного зеркала, 5 – растяжки, 6 – несущая конструкция телескопа, 7 – инваровые стержни, 8 – линзовый корректор, 9 – приборный отсек, 10 – приемник изображения, 11 – световозвращатели.
90
c a
2a 1
–f +f
A1 A
F
A2
A
2b f
Рис. 3. Система автоматической фокусировки. 1 – объектив, 2a, 2b – пентагональные отражатели; А – марка, установленная в фокальной плоскости объектива.
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
Принципиальная оптическая схема САФ объектива показана на рис. 3.
В фокальной плоскости объектива 1 устанавливается марка А. В параллельном ходе лучей перед объективом устанавливаются два пентагональных отражателя 2а, 2b световозвращателя САФ, выполненные в виде базовой кварцевой пластины, к которой прикреплены плоскопараллельные пластины под углом 45° друг к другу. При смещении фокальной плоскости относительно марки А на Δf′ ее изображениями при прохождении световых лучей через пентагональные
отражатели 2а и 2b являются А1′ и А2′ , расстояние между которыми обозначим через а. Тогда Δf′ = af′/c.Величина а – измеряется, и в случае а = 0 дефокусировка системы отсутствует.
Температурные параметры элементов конструкции телескопа
Рассмотрим основные элементы конструкции и их температурные параметры (см. таблицу). Важная задача СОТР на участках наблюдения объекта, когда не задействованы САЮ и САФ, –
Температурные параметры элементов конструкции телескопа
Элемент конструкции
Параметр температурного режима
Обозначение
Связь со смещениями и наклонами оптического компонента
Несущая
Диапазон изменения температуры
конструкция Разность средних температур диаметрально
телескопа расположенных инваровых стержней
(НКТ)
Средний диаметральный перепад
температур на оболочке
Изменение средней температуры инваровых стержней за время наблюдения
Δt1НКТ ΔtН2 КТ Δt3НКТ Δt4НКТ
Компенсация САФ Компенсация САЮ Компенсация САЮ ΔfÍÊÒ = kαèLèΔt4ÍÊÒ
Изменение разности средних температур диаметрально расположенных стержней за время наблюдения
ΔtН5 КТ
ΔϕÍÊÒ
=
αèL2èΔt5ÍÊÒ 4,85×10−6 B
Изменение среднего диаметрального перепада на оболочке за время наблюдения
Δt6НКТ
ΔhÍÊÒ
=
αò
A2Δt6ÍÊÒ 2D
Приборный Диапазон изменения температуры отсек (ПО)
Δt1ПО
Компенсация САФ
Средний диаметральный перепад температуры на корпусе
Изменение средней температуры корпуса за время наблюдения
Узел
Диапазон изменения температуры
вторичного Разность средних температур зеркала (ВЗ) диаметрально расположенных растяжек с растяжками Изменение средней температуры корпуса
ВЗ с растяжками во время наблюдения
Изменение разности средних температур диаметрально расположенных растяжек за время наблюдения
ΔtП2 О Δt3ПО Δt1ВЗ Δt2ВЗ ΔtВ3 З
Δt4ВЗ
Световозвращатель САФ
Максимальный перепад температур на базовой пластине вдоль направления, перепендикулярного биссектрисе угла между зеркалами
Максимальный перепад температур на базовой пластине световозвращателя вдоль биссектрисы угла между зеркалами
ΔtхСВ ΔyCВ
* αк – коэффициент линейного расширения кварцевого стекла.
Δf1ïî
=
αòLïèLïîΔt2ïî 2Dïî
Δf2ïî = αòLïîΔt3ïî
Компенсация САЮ
Компенсация САЮ
ΔfÂÇ = 0,5[αñò −αò ]LêΔt3ÂÇK
ΔhÂÇ = αòLpΔt4ÂÇ
ΔfÑÂ = 2 2 α*ê (f′)2 ×
×⎛⎜⎜⎜⎜⎝1+2
2
l1 l2
ΔtyÑÂ
+
ΔtxÑÂ ⎟⎟⎟⎟⎠⎞
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
91
обеспечить термостабилизацию элементов конструкции телескопа. Из таблицы видно, что не все параметры температурного режима удается компенсировать перед началом наблюдения системами САЮ и САФ, что приводит к терморасстраиваемости объектива.
Для последних в таблице приведены формулы для расчета дефокусировки Δf, наклона ВЗ – Δϕ, смещения ВЗ – Δh. В формулах таблицы введены следующие обозначения.
Для несущей конструкции телескопа: αи – температурный коэффициент линейного расширения инвара, Lи – длина инваровых стержней, K – коэффициент пропорциональности между смещением ВЗ и изменением положения фокальной плоскости телескопа, В – расстояние между осями диаметрально расположенных инваровых стержней, αт – температурный коэффициент расширения оболочки НКТ (титан), А – расстояние между ГЗ и ВЗ, D – диаметр оболочки НКТ. Для приборного отсека: Lпи – длина светочувствительных площадок приемников изображения, Lпо – расстояние от торца приборного отсека до фокальной плоскости, Dпо – диаметр фланца ПО, на котором закреплен фокальный узел. Для узла ВЗ: Lр – длина растяжек, αст – температурный коэффициент расширения материала кареток (сталь), Lк – длина кареток. Термодеформации несущей конструкции изза температурных перепадов могут вызвать смещение и разворот пентагональных отражателей световозвращателя САФ. Однако они практически не влияют на точность работы САФ. Наибольшее влияние на погрешность фокусировки оказывает нестабильность угла между зеркалами пентагональных отражателей световозвращателя САФ, обусловленная перепадами температур на базовой кварцевой пластине, скрепляющей зеркала. Положим, что в результате тепловых воздействий на пентагональный отражатель за счет деформаций базовой пластины угол β между зеркалами этого отражателя изменится на Δβ0. Это приведет к тому, что в фокальной плоскости изображения марки сместятся относительно друг друга на аt = 4Δβ0f′, что приведет к погрешности определения фокальной плоскости, обусловленной погрешностями световозвращателя САФ, –
Δf
ÑÂ
=
atf c
′
=
4Δβ0 (f
c
′)2
.
Определим угол Δβ0 при воздействии температур на базовую пластину. Схема воздействия перепадов температур на базовую пластину пентагонального отражателя показана на рис. 4.
Температурный перепад Δty вдоль биссектрисы ОС угла между зеркалами вызывает смещение точки А на отрезок Δlx вдоль оси x. Температурный перепад Δtx вдоль направления, перпендикулярного биссектрисе угла между зеркалами, вызывает смещение точки А на отрезок Δly вдоль оси y.
Таким образом, точка А перемещается в точку А′, а зеркало пентагонального отражателя займет положение ВА′.
Вторая половина пентагонального отражателя, слева от биссектрисы угла между зеркалами, претерпит симметричные смещения.
После несложных преобразований погрешность фокусировки ΔfСВ, обусловленная температурными деформациями пентагональных отражателей, будет определяться уравнением, приведенным в таблице.
На основании изложенного суммарные значения дефокусировки ΔfΣ, смещения ВЗ в направлении, перепендикулярном оптической оси, – ΔhΣ, наклона ВЗ вокруг осей, перпенди-
y СВ
l2 ly
Зеркало /8
90о
K О /8 A x
Боковая пластина
l1/2
A lx
Рис. 4. Схема воздействия температурных перепадов на пентагональный отражатель.
92 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
кулярных оптической оси, – ΔϕΣ можно оценить по формулам
( ) ( )ΔfΣ = ⎢⎡⎣⎢Δf02 + ΔfÍÊÒ 2 + Δf1ÏÎ 2 + ( ) ( ) ( )+ Δf2ÏÎ 2 + ΔfÂÇ 2 + ΔfÑÂ 2 ⎦⎥⎤⎥1/2,
( ) ( )ΔhΣ = ⎣⎢⎡⎢Δh02 + ΔhÍÊÒ 2 + ΔhÂÇ 2 ⎦⎥⎤⎥1/2,
( )ΔϕΣ = ⎢⎣⎢⎡Δϕ20 + ΔϕÍÊÒ 2 ⎤⎥⎦⎥1/2,
где Δf0, Δh0 и Δϕ0 – параметры, определяемые собственными погрешностями САФ и САЮ.
Результаты оценки допустимых значений температурных параметров
Суммарные значения ΔfΣ, ΔhΣ, ΔϕΣ не должны превышать допустимых значений, устанавливаемых из критериев качества изображения. В частности, для космического телескопа, разработанного и изготовленного на “ЛОМО”, с DГЗ = 1,5 м допустимые значения составляют: ΔfΣ = 0,15 мм, ΔhΣ = 0,05 мм, ΔϕΣ = 5″.
Исходя из допустимых значений рассмотренных параметров в соответствии с приведенными выше формулами получены следующие допустимые значения температур:
Δt1НКТ = (12 – 28)°С, Δt1ПО = (8 – 35)°С, Δt1ВЗ = (12 – 35)°С, ΔtyСВ = 0,11 К,
ΔtН2 КТ = 3,8 К, Δt2ПО = 6 К, ΔtВ2З = 3,5 К, ΔtСxВ = 0,23 К,
Δt3НКТ = 2,6 К, ΔtП3 О = 4 К, Δt3ВЗ = 3 К,
Δt4НКТ = 2,2 К, Δt4ВЗ = 4 К,
Δt5НКТ = 1,8 К,
ΔtН6 КТ = 1,8 К.
Заключение
Для обеспечения качественных характеристик крупногабаритных космических телескопов желательно введение в их конструкцию служебных систем САЮ и САФ, позволяющих проводить корректировку взаимного положения оптических компонентов телескопа перед наблюдением при его эксплуатации в составе КА.
В процессе наблюдения, когда задействование систем САЮ и САФ невозможно, качество оптической системы будет определяться изменением температурных параметров на ее конструктивных элементах. Допустимые значения этих параметров выдвигают требования к техническим характеристикам СОТР КА, обеспечивающей тепловой режим телескопа. При этом необходимо отметить, что, кроме взаимного положения оптических элементов, на качество изображения будут влиять искажения отражающих и преломляющих поверхностей оптических элементов объектива из-за возникающих в них температурных деформаций.
Комплексный подход при назначении параметров СОТР КА, технических характеристик САЮ и САФ позволит обеспечить требуемый температурный режим телескопа, а следовательно, и его качественные характеристики.
ЛИТЕРАТУРА
1. Данилов В.А., Лысенко А.И., Маламед Е.Р., Сокольский М.Н. Служебные системы космических телескопов // Оптический журнал. 2002. № 9. С. 36–44.
1. Гоголев Ю.А., Зверев В.А., Пожинская И.И., Соболев К.Ю. Анализ основных проблем создания оптики крупных телескопов // Оптический журнал. 1996. № 4. С. 16–32.
1. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды / Под редакцией Г.П. Петрова. М.: Машиностроение, 1971. 382 с.
1. Блох А.Г., Журавлев А.Г., Рынсков Л.Н. Теплообмен излучения. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 432 с.
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
93
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА НА КОНСТРУКТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА
© 2009 г. А. М. Савицкий
ОАО “ЛОМО”, Санкт- Петербург
На примере космического телескопа, построенного по схеме Ричи–Кретьена с линзовым корректором, рассматриваются температурные параметры элементов конструкции телескопа, влияющие на пространственное положение оптических компонентов. Приводятся принципы построения корректирующих систем и результат конкретной реализации системы обеспечения температурного режима.
Ключевые слова: космические телескопы, тепловой режим телескопа.
Коды OCIS: 350. 6090.
Поступила в редакцию 25.06.2009.
Введение
К современным крупногабаритным космическим телескопам для оптико-электронных камер, предназначенных для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), предъявляются крайне высокие требования к качеству изображения: среднеквадратическая деформация волнового фронта (Wскв) на орбите не должна превышать 0,1λ, где λ = 0,6328 мкм. Существует целый ряд дестабилизирующих факторов, воздействующих на телескоп и снижающих качество изображения. Наиболее существенными из них являются [1, 2]: силовые и вибрационные воздействия на телескоп на этапе его вывода на орбиту, перераспределение напряжений и деформаций конструкции, обусловленных переходом от сил тяготения в наземных условиях к отсутствию сил тяжести на орбите; ионизирующее излучение естественных радиационных поясов Земли, изменение температуры и температурные перепады на элементах конструкции, вызывающие термодеформации [3, 4]. Дестабилизирующие факторы приводят к смещениям и наклонам оптических компонентов, что вызывает снижение качества изображения. Для минимизации и исключения погрешности взаимного расположения оптических компонентов в телескопах предусматриваются системы автоматической фокусировки (САФ) и юстировки (САЮ). Эти системы предназначены для измерения децентрировок компонентов (смещений, наклонов) и их коррекции.
Одним из наиболее существенных дестабилизирующих факторов являются температурные возмущения, вызывающие термодеформации конструкции телескопа и его элементов. Для уменьшения влияния температурных возмущений предусматривается система обеспечения температурного режима (СОТР), представляющая собой комплекс радиационных панелей, электронагревателей, управляющих термодатчиков, тепловых труб, термоизоляционных покрытий и др.
В настоящей статье на основе опыта создания на “ЛОМО” крупногабаритных космических телескопов рассматриваются температурные параметры элементов конструкции телескопа, влияющие на пространственное положение оптических компонентов.
Оптическая и конструктивная схемы крупногабаритных телескопов
Оптическая система крупногабаритных космических телескопов с диаметром входного зрачка – диаметром главного зеркала (ГЗ) – более 1 м обычно строится по схеме Ричи–Кретьена, состоящей из гиперболических ГЗ и вторичного зеркала (ВЗ), а также линзового корректора полевых аберраций (КПА). Конструктивно схема выполнена таким образом, что ГЗ, КПА и фокальный узел расположены вблизи друг от друга и составляют единый нерасстраиваемый оптико-механический модуль. Поскольку ВЗ удалено от ГЗ, оно требует постоянного контроля за его положением относительно оптической оси ГЗ.
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
89
Конструктивно телескоп (рис. 1) состоит из главного зеркала 1, закрепленного в оправе 2, являющейся одновременно основным силовым элементом – опорным шпангоутом телескопа, с помощью которого осуществляется его стыковка с космическим аппаратом КА. Вторичное зеркало 3, установленное на узле приводов вторичного зеркала 4, при помощи четырех растяжек 5 закреплено на несущей конструкции телескопа 6. Несущая конструкция телескопа (НКТ) выполнена в виде цилиндрической оболочки, один из фланцев которой прикреплен к опорному шпангоуту, а второй является местом установки узла ВЗ. При этом для обеспечения заданного расстояния между ГЗ и ВЗ вдоль НКТ установлены четыре инваровых стержня 7, одни концы которых жестко закреплены на опорном шпангоуте, а вторые крепятся к специальным кареткам, которые обеспечивают возможность их свободного перемещения вдоль продольной оси НКТ.
Крепление растяжек узла ВЗ осуществляется непосредственно к кареткам, чем и обеспечивается неизменность расстояния между ГЗ и ВЗ.
С тыльной стороны опорного шпангоута установлен линзовый корректор 8 для исправления полевых аберраций. С той же стороны установлен приборный отсек 9 и закрепленный на нем фокальный узел с приемниками изображений 10. На внутренней поверхности НКТ установлены два световозвращателя 11 системы автоматической фокусировки.
6 72
9 10
Системы автоматической юстировки и фокусировки
Возможные варианты построения САЮ и САФ приведены в статье [1].
Алгоритм работы систем заключается в том, что перед каждым сеансом наблюдения проводятся измерение пространственного положения оптических компонентов телескопа и на основании этого перемещение корректирующего элемента оптической системы, в данном случае ВЗ.
Принцип работы измерительной системы САЮ показан на рис. 2.
На тыльной поверхности ГЗ (1) установлено контрольное плоское зеркало 3, а на ВЗ (2) – контрольное зеркало 4. Автоколлиматор 5 через зеркальный ромб 6 принимает одновременно автоколлимацию от зеркал 3 и 4, измеряя углы заклона ВЗ относительно ГЗ. Поперечное смещение ВЗ перпендикулярно оптической оси измеряется с помощью автоколлимационного микроскопа 7 и триппель-призмы 8, установленной на ВЗ.
4 2
8
1 3
5
6
7
Рис. 2. Система автоматической юстировки. 1 – главное зеркало, 2 – вторичное зеркало, 3 и 4 – контрольные плоские зеркала, 5 – автоколлиматор, 6 – зеркальный ромб, 7 – автоколлимационный микроскоп, 8 – трипель-призма.
54
3 11
18
Рис. 1. Конструктивная схема телескопа. 1 – главное зеркало, 2 – оправа главного зеркала, 3 – вторичное зеркало, 4 – приводы вторичного зеркала, 5 – растяжки, 6 – несущая конструкция телескопа, 7 – инваровые стержни, 8 – линзовый корректор, 9 – приборный отсек, 10 – приемник изображения, 11 – световозвращатели.
90
c a
2a 1
–f +f
A1 A
F
A2
A
2b f
Рис. 3. Система автоматической фокусировки. 1 – объектив, 2a, 2b – пентагональные отражатели; А – марка, установленная в фокальной плоскости объектива.
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
Принципиальная оптическая схема САФ объектива показана на рис. 3.
В фокальной плоскости объектива 1 устанавливается марка А. В параллельном ходе лучей перед объективом устанавливаются два пентагональных отражателя 2а, 2b световозвращателя САФ, выполненные в виде базовой кварцевой пластины, к которой прикреплены плоскопараллельные пластины под углом 45° друг к другу. При смещении фокальной плоскости относительно марки А на Δf′ ее изображениями при прохождении световых лучей через пентагональные
отражатели 2а и 2b являются А1′ и А2′ , расстояние между которыми обозначим через а. Тогда Δf′ = af′/c.Величина а – измеряется, и в случае а = 0 дефокусировка системы отсутствует.
Температурные параметры элементов конструкции телескопа
Рассмотрим основные элементы конструкции и их температурные параметры (см. таблицу). Важная задача СОТР на участках наблюдения объекта, когда не задействованы САЮ и САФ, –
Температурные параметры элементов конструкции телескопа
Элемент конструкции
Параметр температурного режима
Обозначение
Связь со смещениями и наклонами оптического компонента
Несущая
Диапазон изменения температуры
конструкция Разность средних температур диаметрально
телескопа расположенных инваровых стержней
(НКТ)
Средний диаметральный перепад
температур на оболочке
Изменение средней температуры инваровых стержней за время наблюдения
Δt1НКТ ΔtН2 КТ Δt3НКТ Δt4НКТ
Компенсация САФ Компенсация САЮ Компенсация САЮ ΔfÍÊÒ = kαèLèΔt4ÍÊÒ
Изменение разности средних температур диаметрально расположенных стержней за время наблюдения
ΔtН5 КТ
ΔϕÍÊÒ
=
αèL2èΔt5ÍÊÒ 4,85×10−6 B
Изменение среднего диаметрального перепада на оболочке за время наблюдения
Δt6НКТ
ΔhÍÊÒ
=
αò
A2Δt6ÍÊÒ 2D
Приборный Диапазон изменения температуры отсек (ПО)
Δt1ПО
Компенсация САФ
Средний диаметральный перепад температуры на корпусе
Изменение средней температуры корпуса за время наблюдения
Узел
Диапазон изменения температуры
вторичного Разность средних температур зеркала (ВЗ) диаметрально расположенных растяжек с растяжками Изменение средней температуры корпуса
ВЗ с растяжками во время наблюдения
Изменение разности средних температур диаметрально расположенных растяжек за время наблюдения
ΔtП2 О Δt3ПО Δt1ВЗ Δt2ВЗ ΔtВ3 З
Δt4ВЗ
Световозвращатель САФ
Максимальный перепад температур на базовой пластине вдоль направления, перепендикулярного биссектрисе угла между зеркалами
Максимальный перепад температур на базовой пластине световозвращателя вдоль биссектрисы угла между зеркалами
ΔtхСВ ΔyCВ
* αк – коэффициент линейного расширения кварцевого стекла.
Δf1ïî
=
αòLïèLïîΔt2ïî 2Dïî
Δf2ïî = αòLïîΔt3ïî
Компенсация САЮ
Компенсация САЮ
ΔfÂÇ = 0,5[αñò −αò ]LêΔt3ÂÇK
ΔhÂÇ = αòLpΔt4ÂÇ
ΔfÑÂ = 2 2 α*ê (f′)2 ×
×⎛⎜⎜⎜⎜⎝1+2
2
l1 l2
ΔtyÑÂ
+
ΔtxÑÂ ⎟⎟⎟⎟⎠⎞
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
91
обеспечить термостабилизацию элементов конструкции телескопа. Из таблицы видно, что не все параметры температурного режима удается компенсировать перед началом наблюдения системами САЮ и САФ, что приводит к терморасстраиваемости объектива.
Для последних в таблице приведены формулы для расчета дефокусировки Δf, наклона ВЗ – Δϕ, смещения ВЗ – Δh. В формулах таблицы введены следующие обозначения.
Для несущей конструкции телескопа: αи – температурный коэффициент линейного расширения инвара, Lи – длина инваровых стержней, K – коэффициент пропорциональности между смещением ВЗ и изменением положения фокальной плоскости телескопа, В – расстояние между осями диаметрально расположенных инваровых стержней, αт – температурный коэффициент расширения оболочки НКТ (титан), А – расстояние между ГЗ и ВЗ, D – диаметр оболочки НКТ. Для приборного отсека: Lпи – длина светочувствительных площадок приемников изображения, Lпо – расстояние от торца приборного отсека до фокальной плоскости, Dпо – диаметр фланца ПО, на котором закреплен фокальный узел. Для узла ВЗ: Lр – длина растяжек, αст – температурный коэффициент расширения материала кареток (сталь), Lк – длина кареток. Термодеформации несущей конструкции изза температурных перепадов могут вызвать смещение и разворот пентагональных отражателей световозвращателя САФ. Однако они практически не влияют на точность работы САФ. Наибольшее влияние на погрешность фокусировки оказывает нестабильность угла между зеркалами пентагональных отражателей световозвращателя САФ, обусловленная перепадами температур на базовой кварцевой пластине, скрепляющей зеркала. Положим, что в результате тепловых воздействий на пентагональный отражатель за счет деформаций базовой пластины угол β между зеркалами этого отражателя изменится на Δβ0. Это приведет к тому, что в фокальной плоскости изображения марки сместятся относительно друг друга на аt = 4Δβ0f′, что приведет к погрешности определения фокальной плоскости, обусловленной погрешностями световозвращателя САФ, –
Δf
ÑÂ
=
atf c
′
=
4Δβ0 (f
c
′)2
.
Определим угол Δβ0 при воздействии температур на базовую пластину. Схема воздействия перепадов температур на базовую пластину пентагонального отражателя показана на рис. 4.
Температурный перепад Δty вдоль биссектрисы ОС угла между зеркалами вызывает смещение точки А на отрезок Δlx вдоль оси x. Температурный перепад Δtx вдоль направления, перпендикулярного биссектрисе угла между зеркалами, вызывает смещение точки А на отрезок Δly вдоль оси y.
Таким образом, точка А перемещается в точку А′, а зеркало пентагонального отражателя займет положение ВА′.
Вторая половина пентагонального отражателя, слева от биссектрисы угла между зеркалами, претерпит симметричные смещения.
После несложных преобразований погрешность фокусировки ΔfСВ, обусловленная температурными деформациями пентагональных отражателей, будет определяться уравнением, приведенным в таблице.
На основании изложенного суммарные значения дефокусировки ΔfΣ, смещения ВЗ в направлении, перепендикулярном оптической оси, – ΔhΣ, наклона ВЗ вокруг осей, перпенди-
y СВ
l2 ly
Зеркало /8
90о
K О /8 A x
Боковая пластина
l1/2
A lx
Рис. 4. Схема воздействия температурных перепадов на пентагональный отражатель.
92 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
кулярных оптической оси, – ΔϕΣ можно оценить по формулам
( ) ( )ΔfΣ = ⎢⎡⎣⎢Δf02 + ΔfÍÊÒ 2 + Δf1ÏÎ 2 + ( ) ( ) ( )+ Δf2ÏÎ 2 + ΔfÂÇ 2 + ΔfÑÂ 2 ⎦⎥⎤⎥1/2,
( ) ( )ΔhΣ = ⎣⎢⎡⎢Δh02 + ΔhÍÊÒ 2 + ΔhÂÇ 2 ⎦⎥⎤⎥1/2,
( )ΔϕΣ = ⎢⎣⎢⎡Δϕ20 + ΔϕÍÊÒ 2 ⎤⎥⎦⎥1/2,
где Δf0, Δh0 и Δϕ0 – параметры, определяемые собственными погрешностями САФ и САЮ.
Результаты оценки допустимых значений температурных параметров
Суммарные значения ΔfΣ, ΔhΣ, ΔϕΣ не должны превышать допустимых значений, устанавливаемых из критериев качества изображения. В частности, для космического телескопа, разработанного и изготовленного на “ЛОМО”, с DГЗ = 1,5 м допустимые значения составляют: ΔfΣ = 0,15 мм, ΔhΣ = 0,05 мм, ΔϕΣ = 5″.
Исходя из допустимых значений рассмотренных параметров в соответствии с приведенными выше формулами получены следующие допустимые значения температур:
Δt1НКТ = (12 – 28)°С, Δt1ПО = (8 – 35)°С, Δt1ВЗ = (12 – 35)°С, ΔtyСВ = 0,11 К,
ΔtН2 КТ = 3,8 К, Δt2ПО = 6 К, ΔtВ2З = 3,5 К, ΔtСxВ = 0,23 К,
Δt3НКТ = 2,6 К, ΔtП3 О = 4 К, Δt3ВЗ = 3 К,
Δt4НКТ = 2,2 К, Δt4ВЗ = 4 К,
Δt5НКТ = 1,8 К,
ΔtН6 КТ = 1,8 К.
Заключение
Для обеспечения качественных характеристик крупногабаритных космических телескопов желательно введение в их конструкцию служебных систем САЮ и САФ, позволяющих проводить корректировку взаимного положения оптических компонентов телескопа перед наблюдением при его эксплуатации в составе КА.
В процессе наблюдения, когда задействование систем САЮ и САФ невозможно, качество оптической системы будет определяться изменением температурных параметров на ее конструктивных элементах. Допустимые значения этих параметров выдвигают требования к техническим характеристикам СОТР КА, обеспечивающей тепловой режим телескопа. При этом необходимо отметить, что, кроме взаимного положения оптических элементов, на качество изображения будут влиять искажения отражающих и преломляющих поверхностей оптических элементов объектива из-за возникающих в них температурных деформаций.
Комплексный подход при назначении параметров СОТР КА, технических характеристик САЮ и САФ позволит обеспечить требуемый температурный режим телескопа, а следовательно, и его качественные характеристики.
ЛИТЕРАТУРА
1. Данилов В.А., Лысенко А.И., Маламед Е.Р., Сокольский М.Н. Служебные системы космических телескопов // Оптический журнал. 2002. № 9. С. 36–44.
1. Гоголев Ю.А., Зверев В.А., Пожинская И.И., Соболев К.Ю. Анализ основных проблем создания оптики крупных телескопов // Оптический журнал. 1996. № 4. С. 16–32.
1. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды / Под редакцией Г.П. Петрова. М.: Машиностроение, 1971. 382 с.
1. Блох А.Г., Журавлев А.Г., Рынсков Л.Н. Теплообмен излучения. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 432 с.
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
93