автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Принципы построения оптических систем термостабилизированных телескопов дистанционного зондирования Земли

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЬІХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи УДК^.7; 536.3

Савицкий Александр Михайлович ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕРМОСТАБИЛИЗИРОВАП11ЫХ ТЕЛЕСКОПОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

Специальность: 05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы

и комплексы»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

9 огв ш

Санкт-Петербург 2012 г.

005010556

005010556

Работа выполнена в ОАО «ЛОМО»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Сокольский Михаил Наумович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Зверев Виктор Алексеевич; доктор технических наук Дмитриев Игорь Юрьевич

Ведущее предприятие: ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И. Вавилова»

Защита диссертации состоится «21» февраля 2012 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190031 г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб НИУ ИТМО.

Автореферат разослан января 2012 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах) просим направлять в адрес Университета: 197101, СПб, Кронве^Ький пр., 49, СПб НИУ ИТМ.О, ученому секретарю диссертационного совета Д.212.227.01

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.227.01, кандидат технических наук, доцент

Актуальность диссертаиионной работы

В настоящее время во многих странах уделяют серьёзное внимание созданию космических аппаратов (КА), оснащённых оптико-электронными комплексами (ОЭК), предназначенными для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Основными компонентами ОЭК являются космический телескоп (КТ) и система приёма и преобразования информации (СППИ). ОЭК используются для решения широкого спектра задач в интересах изучения природных ресурсов, сельского хозяйства, метрологии, картографии и ДЗЗ с получением снимков с высоким пространственным разрешением (менее 1 м). Основные высоты орбит, на которых работают- ОЭК, лежат в пределах (500 - 800) км. Это требует создания КТ с форсированными оптическими параметрами (диаметр входного зрачка, фокусное расстояние, поле зрения) при одновременном ограничении по массогабаритным характеристикам. В связи с этим предъявляются особо жёсткие требования в целом к объективу КТ, к конструкции оптической системы, её габаритам, компоновке, минимизации оптических компонентов, сохранению качества изображения в условиях эксплуатации при наличии действия дестабилизирующих факторов космического пространства.

Из наиболее существенных дестабилизирующих факторов можно отметить следующие:

- линейные ускорения и вибродннамические воздействия на КТ в процессе вывода его на орбиту;

- перераспределение напряжений и деформаций в конструкции КТ, аттестованного в наземных условиях, при его эксплуатации на орбите при отсутствии силы тяготения;

- изменение температуры и температурные перепады на элементах конструкции, вызывающие термодеформации.

Для минимизации влияния указанных выше дестабилизирующих факторов в конструкцию КТ предусматривается введение:

- системы обеспечения температурного режима (СОТР), представляющей собой совокупность как активных, так и пассивных средств обеспечения теплового режима;

- систем автоматической юстировки (САЮ) и фокусировки (САФ).

Создание КТ с форсированными оптическими параметрами, дифракционноограниченным качеством изображения, устойчивого к механическим воздействиям и изменению температуры при массо-габаритных ограничениях требует поиска новых схемотехнических решений, что и определяет актуальность диссертационной работы.

Цель и задачи работы

Целью работы является развитие принципов построения оптических систем высокоапертурных крупногабаритных КТ, качество изображения в которых устойчиво к воздействию дестабилизирующих факторов в заданных условиях эксплуатацииДо-стижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Разработка принципов построения и компоновки объективов КТ с целью обеспечения высокого пространственного разрешения.

2. Разработка методов и средств обеспечения устойчивости объективов КТ к изменению температуры и механическим возмущениям в заданных условиях эксплуатации.

3. Разработка принципов конструирования основных узлов КТ: главных и вторичных зеркал, корректора полевых аберраций, несущих элементов конструкции.

4. Вывод соотношений для оценки влияния дестабилизирующих факторов на качество изображения КТ.

Объект исследования

Основным объектом исследования в работе является телескопическая оптическая система высокого разрешения для решения задач ДЗЗ.

Методы исследования

Основными методами исследования являлись:

]. Аналитические методы расчёта оптических систем и моделирование характеристик качества изображения с использованием современного программного обеспечения расчёта оптических систем.

2. Методы и средства обеспечения стабильности параметров космических телескопов высокого разрешения.

3. Аналитические методы расчёта влияния изменения температуры на качество изображения телескопа.

4. Лёгао-конструкторские испытания, подтверждающие правильность конструкторских решений и принципов построения КТ, методов исследования в наземных условиях.

Научная новизна

1. Разработаны принципы построения зеркально-линзовых оптических систем высокого разрешения для крупногабаритных КТ дня дистанционного зондирования поверхности Земли, устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов.

2. Разработаны варианты конструктивного исполнения основных узлов крупногабаритных КТ, обеспечивающие стабильность его технических характеристик как в наземных условиях, так и в условиях эксплуатации на орбите.

3. Разработаны и экспериментально подтверждены принципы построения комплекса служебных систем и устройств КТ, обеспечивающих в условиях космического пространства высокоточный контроль за положением оптических компонентов - систем автоматической юстировки (САЮ) и фокусировки (САФ) объектива КТ.

4. Разработаны и экспериментально подтверждены принципы построения системы обеспечения теплового реяшма (СОТР) для крупногабаритных КТ высокого разрешения в условиях воздействия температуры при его эксплуатации на орбите.

5. Получены аналитические соотношения для оценки влияния температуры и температурных перепадов на качество оптического изображения.

Практическая ценность работы

Разработанные принципы построения оптических систем КТ могут быть использованы при создании широкого ряда аппаратуры для решения различных задач дистанционного зондирования Земли и, прежде всего, аппаратуры высокого и сверхвысокого разрешения.

Результаты диссертационной работы реализованы в ОАО «ЛОМО», ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара), что подтверждается соответствующими актами.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Принципы построения оптических систем и конструктивного исполнения основных узлов КТ, обеспечивающих сохранение их качества в условиях действия дестабилизирующих факторов космического пространства, прежде всего температуры.

2. Принципы построения комплекса служебных систем и устройств КТ, обеспечивающих в условиях космического пространства высокоточный контроль за положением оптических компонентов - систем автоматической юстировки (САЮ) и фокусировки (САФ) объектива.

3. Основные принципы построения системы обеспечения теплового режима (СОТР), обеспечивающей поддержание заданного температурного режима на элементах КТ.

4. Соотношения для оценки влияния изменения температуры на положение оптических компонентов, форму поверхностей зеркал и качество оптического изображения.

Вклад автора в работу

Все исследования, включённые в диссертацию, выполнены при руководстве и личном участии автора в процессе разработки принципов построения оптических систем для космических телескопов ДЗЗ. Им лично предложено обоснование выбора параметров оптических и конструктивных схем для крупногабаритных термостабилизированных КТ для ДЗЗ, имеющих высокое и сверхвысокое пространственное разрешение. Автор диссертации непосредственно участвовал на всех этапах его реализации в процессе проведения опытао-конструкторских работ, начиная с разработки эскизных проектов и заканчивая лётно-конструкторскими испытаниями изделий.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на V научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли (СНМ ДЗЗ)», г. Адлер, 2008 г.; на VI научно-технической конференции СНМ ДЗЗ, г. Адлер, 2009 г.; на VII научно-технической конференции СНМ ДЗЗ, г. Адлер, 2010 г.; на VIII научно-технической конференции СНМ ДЗЗ, г. Геленджик, 2011 г.; на IV международной конференции-выставке малых спутников, г. Королёв, Московской области, 2004 г.; на международной научно-практической конференции «Особенности развития космической отрасли России и перспективы её дальнейшей интеграции в систему международных экономических связей, г. Санкт-Петербург, 2007г.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 18 работ, в том числе 3 патента на изобретение и 15 статей, из которых 4 статьи опубликованы в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и двенадцати приложений. Работа содержит 191 страницу текста, 72 рисунка и 29 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение диссертационной работы посвящено обоснованию актуальности выбранной темы. Во введении определены цели и задачи выполненного исследования, приведены положения, раскрывающие его научную новизну и практическую ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены принципы построения оптических систем КТ для ДЗЗ. Сложность их создания обусловлена с одной стороны высоким качеством изображения, характеризуемого срсднеквадратическим отклонением волнового фронта (И'ско), т.е. И'с^ <(0,05+0,1 )>„, а с другой стороны специфическими особенностями их изготовления и испытаний в наземных условиях и штатной эксплуатации в условиях невесомости. Поэтому при выборе оптической схемы КТ определяются не только основные оптические параметры (диаметр входного зрачка, фокусное расстояние, поле зрения, спектральный диапазон, характеристики качества изображения), но учитывается и ряд дополнительных специфических критериев. К ним относятся:

- длина оптической схемы, определяющая габариты КТ;

- количество зеркальных поверхностей, в том числе асферических, характеризующих технологичность изготовления;

- количество оптических элементов, требующих контроля их положения в условиях эксплуатации и определяющих необходимость комплекса служебных систем и исполнительных механизмов для обеспечения автоматической юстировки и фокусировки КТ;

- устойчивость оптических элементов к изменению температуры и к температурным перепадам на элементах конструкции КТ;

- защита фокальной плоскости от «паразитных» засветок для КТ, построенных по двухзеркальным схемам.

Рассмотрены, с учётом вышеназванных критериев, принципы построения различных оптических систем КТ: линзовых, зеркальных и зеркально-линзовых.

Сравнительный анализ показал, что достоинством линзовых объективов является возможность получения больших угловых полей, а основными недостатками линзовых объективов большого диаметра являются большая длина, масса и технологические трудности при изготовлении высококачественных линз. Поэтому для линзовых объективов целесообразно ограничиваться диаметрами входных зрачков до 250 - 300 мм, а для больших диаметров наиболее эффективными являются зеркальные и зеркально-линзовые объективы.

Основное внимание в работе уделено принципам построения оптических систем для термостабилизированных КТ высокого и сверхвысокого разрешения.

Трёхзеркальная схема с промежуточным изображением, даваемым зеркальной системой (ЗС), состоящей из ГЗ, ВЗ и третьего зеркала ТЗ, выполняющего функцию

корректора нолевых аберраций (КПА), приведена иа рисунке 1. Коррекция сферической аберрации и комы осуществляется эксцентриситетами е^з и евз, коррекция астигматизма - эксцентриситетом е-п, а коррекция кривизны изображения подбором радиуса кривизны или оптической силы ТЗ из условия равенства нулю суммы оптических сил ГЗ, ВЗ и ТЗ

гг--'—

ь

и

//

Рисунок 1 Рисунок 2

В работе предложены несколько вариантов построения оптических систем КТ на основе трёхзеркальной схемы, один из которых представлен на рисунке 2.

Показано, что с целью создания многофункциональных КТ, обеспечивающих ДЗЗ в видимом и инфракрасном диапглонах (ВД и ИК) спектра излучения , в ИК канал вводится линзовый преобразователь фокусного расстояния (ЛПФР).

Для устранения поперечного хроматизма, обусловленного введением защитного стекла на ОЭПы и светофильтров, предложено устанавливать вблизи выходного зрачка канала ВД однолинзовый корректор хроматизма (КХ).

Четырёхзеркальная схема объектива КТ (рис. 3) состоит из ГЗ, ВЗ и двухзеркального корректора полевых аберраций в качестве компонентов которого использованы зеркала ТЗ и 43.

.л

'Л

і т

а--:..

Рисунок 3 Рисунок 4

При этом ГЗ и ТЗ - эллиптические, ВЗ - асферическое высшего порядка, а 43 -сферическое и расположено в плоскости промежуточного изображения.

Основным преимуществом четырёхзеркальной схемы является её компактность: длина Г=1,6ВГ5,

Зеркальный триплет состоит из ГЗ и ТЗ с положительными оптическими силами и расположенного между ними ВЗ с отрицательной оптической силой. Центры кривизны зеркал ГЗ, ВЗ и ТЗ (на рис.4 обозначено Сь С2, С3) расположены на одной оптической оси. Апертурная диафрагма совпадает с поверхностью ВЗ. С целью исключения экранирования ВЗ центральный луч расположен под углом Ро к оптической оси. Для удобства компоновки приёмников изображения в фокальной плоскости (ФП) введено дополнительное плоское зеркало (ПЗ).

С целью обеспечения большого заднего отрезка предложены соотношения оптических сил ГЗ, ВЗ и ТЗ и воздушных промежутков: 1.<Хф1/цх1.2; 2.9<([ь/ф‘С3.1; 1.8<ф3/ср<2; 0.35<с11ф<0.45; 0.4«12ф<0.5. где <рь фь фз, ф - оптические силы ГЗ, ВЗ, ТЗ и всего объектива в целом соответственно, (1! - расстояние между ГЗ и ВЗ, с12 -расстояние между ВЗ и ТЗ.

Зеркально-линзовая схема, выполненная по схеме Ричи-Кретьена, показана на рисунке 5. Схема состоит из главного (ГЗ) и вторичного (ВЗ) зеркал, обычно асферических, с гипербоидальными формами поверхностей, и линзового КПА, установленного перед фокальной плоскостью (ФП). Предложены оригинальные конструкции двух и трёхлинзовых КПА. Для двухлинзового КПА первая линза представляет собой двояковыпуклую линзу, а вторая линза - мениск. Первая по ходу луча вогнутая поверхность второго компонента выполнена гиперболической формы. Г

Рисунок 5 Рисунок 6

При этом оптические силы компонентов удовлетворяют условиям: флс/фзс = —10.5-г—11.5; ф^флс = - 0.2 - - 0.55; ф2/флс = 1.4 + 1.6, где фзС - оптическая сила зеркальной части телескопа, состоящей из ГЗ и ВЗ, флс - оптическая сила линзового КПА, ф! - оптическая сила Гой линзы, ф2 -2-ой линзы. Линзы выполнены из материшгов с коэффициентами дисперсии уь у2, удовлетворяющими условиям: У]/У2 = 0.55 0.65, VI — у2 = 2] + 21.

Во втором варианте построения КПА первый компонент выполнен двухлинзовым, а второй компонент - в виде одиночной линзы с отрицательной оптической силой. Первая линза первого компонента представляет собой мениск, обращённый выпуклостью к плоскости изображения, имеет отрицательную оптическую силу фи; вторая линза первого компонента - двояковыпуклая с положительной оптической силой фц. Оптические силы линз удовлетворяют условию: <рп 1<р1 = -1,4*-1,65;

(/>, г / (р, = 2,35+2,6, а оптические материалы линз выбраны из условия: у,1-у12»у11 — Уц» 12 -=-16 , где ф! - оптическая сила первого компонента, а Уп;

VI,2 и Уд-коэффициенты дисперсии линз первого и линзы второго компонентов соответственно.

Для защиты фокальной плоскости от «паразитных» засветок в двухзеркальных схемах предложена оригинальная конструкция внутренней светозащитной бленды (рис. 6). Коническая бленда (КБ) представляет собой ряд соосных усечённых конусов с вершиной в фокусе ГЗ, установленных в промежутке ГЗ и ВЗ и выполненных

из тонкого материала. Длина <1К кто конусного элемента бленды вдоль оптической -л _ „■)

оси составляет а. = ----- (Г- 3 + 1к), где е- коэффициент центрального экраниро-

К с

вания, I - фокусное расстояние ГЗ, с! - расстояние между' ГЗ и ВЗ, 1к - расстояние от ВЗ до переднего торца к-го конического элемента бленды. В таблице 1 приведены основные параметры оптических схем для крупногабаритных космических телескопов высокого разрешения.

Таблица 1

Основные парамет ры оптической схемы

Тип оптической схемы Фокусное расстояние, мм Угловое поле. град. Диаметр входного зрачка, мм Длина мм

1. Трёхзеркальная Ц1Х 6000 1.8 750 1200

Гик 3800 1,8 750 1200

2. Четырёхзеркальная 10000 1,36 1000 1560

3. Зеркальный триплет 3800 5,5 380 1970

4. Зеркально-линзовая 15660 1,75 1200 4570

Во второй главе рассмотрены методы и средства обеспечения стабильности параметров КТ, построенных по оптической схеме Ричи-Кретьена с апертурой входного зрачка более 1 м. Пространственное положение элементов ГЗ, ВЗ и КПА, обеспечиваемое несущими конструкциями телескопа должно сохраняться в пределах допусков для обеспечения требуемого качества изображения. Форма зеркальных поверхностей ГЗ и ВЗ гиперболическая. Конструктивно схема (рисунок 7) выполнена таким образом, что ГЗ, КПА и фокальный узел (ФУ) расположены вблизи друг от друга и составляют единый нерасстраиваемый оптико-механический модуль. При этом ВЗ удалено от ГЗ, что требует постоянного контроля за его положением относительно оптической оси ГЗ и восстановления этого положения при помощи узла приводов ВЗ.

\ \

Ш Ш

Рисунок 7

Основными требованиями к конструкции ГЗ, как к базовому элементу, являются:

- качество рабочей поверхности зеркала, характеризующееся среднеквадратическим отклонением волнового фронта, отражённого от зеркала;

- минимальная масса конструкции зерхача при обеспечении достаточной прочности и устойчивости к различным воздействиям в процессе эксплуатации.

На рисунках 8,9, 10,11, 12 в качестве примера показаны варианты конструкции облегчённых зеркал диаметром 1230 мм, а в таблице 2 приведены некоторые их технические характеристики.

Рисунок 10 (ситалл СО-115М) Рисунок 11 (карбид кремния)

Рисунок 12 (бериллий)

Таблица 2

Характеристика Вариант конструкции и схема облегчения

Рисунок 8 Рисунок 9 Рисунок 10 Рисунок 11 Рисунок 12

Наружный диаметр, мм 1230 1230 1230 1230 1230

Диаметр центрального отверстия, мм 400 400 400 400 400

Высота, мм 150 165 165 180 150

Толщина рабочей поверхности, мм 15 15 15 8 15

Толщина тыльной пластины, мм 10

Толщина рёбер, мм - радиальных - кольцевых 7 10 7 10 7 10 2 4 7 8

Масса зеркала, кг 110 156 142 80 70

Коэффициент облегчения, т| 0.69 0.6 0.64 0.85 0.74

ШВФ • >ГСКО • - на торцевых разгрузках - при горизонтальном положении оптической оси и штатном закреплении 0.01л 0.016/, 0.03/, о.о1 а 0.014/,

без радиальных разгрузок без радиальных разгрузок (с радиальными) без радиальных разгрузок

О.Ш 0,12/, (0.038А.) 0,13/. (0.04а) 0.09/. 0.08/,

При выборе материала зеркала необходимо учитывать общепринятые критерии качества: Е/р - механический критерий, характеризующий сопротивляемость материала действующим нагрузкам; а = Хт/(ср) - коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость выравнивания температуры в материале при нестационарном тепловом воздействии внешней окружающей среды, где Хт, Е, р и с - коэффициент теплопроводности, модуль упругости, плотность и теплоемкость материала соответственно.

Приведённые данные показывают, что, используя современные методы математического моделирования, материалы, способы обработки зеркал, могут быть изго-

товлены главные зеркала, имеющие коэффициент облегчения, равный Т|=0.60МХ85 и качество рабочей поверхности (0.0]-г-0.03) X.

Вторичное зеркало, как правило, удалено от ГЗ, что предопределяет создание специального узла приводов, позволяющего осуществлять поперечные смещения (ПрУ,2; Пр2,У), наклоны и продольные смещения (ПрХ); ПрХ2; ПрХ3) ВЗ для восстановления юстировочных параметров, достигнутых в процессе наземной сборки. Принципиальная схема расположения приводов ВЗ показана на рисунке 13, а облегченного зеркала на рисунке 14.

Рисунок 13 Рисунок 14

Корректор полевых аберраций (КПА) - линзовый корректор (ЛК) может быть одноликзовым, двухлинзовым, трёхлинзовым и, в некоторых случаях, многолинзовым. Недостатком КТ с однолинзовым КПА является большое центральное экранирование е»0.4. Двухлинзовый КПА обеспечивает коррекцию астигматизма и кривизны изображения при £<0.3-5-0.35 для угловых полей 2т=0.8°-Ио. Для увеличения углового поля, например до 1.5°, необходимо одну из поверхностей выполнить асферической. Трёхлинзовый КПА со сферическими поверхностями позволяет достичь дифракционного качества КТ с угловыми полями 2ю до 2°. При дальнейшем увеличении углового поля конструкция КПА усложняется. Так, например, для КТ с 2ю = 4.5° был разработан пятилинзовый КПА.

На рисунке 15 представлен Л К для КТ «Прибор-ОЭК»

Рисунок 15

Служебные системы КТ предназначены для:

- восстановления характеристик качества оптической системы за счёт контроля и корректировки взаимного положения ГЗ и ВЗ телескопа после воздействия на него возмущений, имеющих место во время его транспортировки и вывода КА на орбиту:

- поддержания характеристик качества оптической системы на требуемом уровне за счёт контроля и корректировки взаимного положения ВЗ относительно Г'З в условиях действия на неё дестабилизирующих факторов, главным образом, температурных, присущих условиям эксплуатации телескопа в космосе.

Система автоматической юстировки ҐСАЮ).

Принципиальная схема САЮ приведена на рисунке 16. Измеритель (АФУ, АФЛ) через светораспределительный блок направляет пучки излучения от лазерного диода (ЛД) на контрольный элемент ВЗ (КЭУ, КЭЛ) я на базовый КЭ, установленный на тыльной поверхности ГЗ, одновременно. Отражённое контрольными элементами излучение попадает в объектив коллиматора (АФУ или АФЛ), который формирует на фоточувствительной поверхности фотоприёмных устройств (ФПУ) авто-коллимационные изображения (АКИ), получаемые от контрольных элементов (КЭУ или КЭЛ) и базового КЭ. Поскольку КЭЛ материализует жёстко связанную с ВЗ точку, а КЭУ - ось ВЗ, соответствующие АКИ характеризуют положение и угловую ориентацию ВЗ относительно ГЗ. Поэтому разности координат центров АКИ от КЭ и базового КЭ являются мерой смещений и разворотов ВЗ относительно ГЗ.

На основе этих данных система управления (СУ) вырабатывает управляющие команды приводам узла ВЗ таким образом, чтобы они содержали знак и величину требуемых разворотов и смещений.

Рисунок 16

Погрешность измерения САЮ можно оценить по формулам:

5 V" ^ 4^52 г+ (у)3 (2ш “ 2г ’~ (2|Ж'~ 2га>) )2 ’ 5^"ігІ4^уі+5¥°)+ (? ;

5ДУ =^¥,+ Д^[^+^)-(їи-їГІ-(їв- Уг„)ї >

5й,+(^+т]' (Хп-гп-^-гп))3 -

где У, г - координаты энергетического центра АКИ в долях пикселя, 8Z, 5У - погрешности определения координат энергетического центра АКИ, Г - фокусное расстояние коллиматора, Г, - фокусное расстояние линзы светораспределительного блока, а - размер пикселя матрицы ФПУ.

Опыт создания САЮ для крупногабаритных телескопов показывает, что предельные угловые погрешности измерения не превышают 3 угл. сек, а линейные -

0.025 мм.

Система автоматической фокусировки (САФ).

Принципиальная схема САФ изображена на рисунке 17. Излучатель САФ формирует два узких пучка излучения, расходящихся из одной точки фокальной плоскости телескопа, которые, пройдя оптическую систему телескопа, выходят из его зрачка, проходят два пентагональных отражателя, составляющих световозвращатель (СВ), и возвращаются в объектив телескопа, который фокусирует их на ириёмник САФ, установленный на фокальном узле.

Стожат?*»

;

Рисунок 17

Приёмник САФ с помощью своей оптической системы проецирует на фоточув-ствительную поверхность ФПУ два автоколлимационных изображения (АКИ), которые будут иметь одинаковые координаты на ФПУ вдоль оси 02, параллельной базе СВ (перпендикулярной линии установки «излучатель САФ - приёмник САФ») только в том случае, если фоточувствительная поверхность ОЭП совпадает с фокальной плоскостью объектива. Разность координат энергетических центров этих АКИ является мерой смещения (расфокусировки) фокальной плоскости объектива относительно плоскости фоточувствительной поверхности ОЭП, которая отрабатывается приводами узла ВЗ. Суммарную погрешность определения расфокусировки

МОЖНО оценить формулой: Л'5) + (у|-У2-(У.,1)'-У:о))||-51 )+(^)

где - фокусное расстояние телескопа; В - база световозвращателя.

Результаты точностного расчёта системы САФ, а также экспериментальные данные, полученные в ходе отработки этой системы, показывают, что возможно создание системы САФ с суммарной погрешностью контроля расфокусировки не хуже 0.02 мм.

Система обеспечения теплового режима. Особенностью работы КТ является необходимость сохранения с высокой точностью взаимного расположения оптических элементов и приёмников изображения, а также формы рабочих поверхностей ГЗ, ВЗ и КПА. Основным фактором, приводящим к изменению указанных геометрических и оптических характеристик телескопа, являются термодеформации конструкции в процессе эксплуатации под действием переменных внешних тепловых потоков. При этом многие виды термодеформаций не могут быть устранены путём применения материалов с низким коэффициентом линейного температурного расширения или скомпенсированы системами САК) и САФ. Для обеспечения допустимых величин термодеформаций элементов конструкции КТ необходима их термостабилизация в узком температурном диапазоне средствами системы обеспечения теплового режима (СОТР).

Были проанализированы следующие схемы:

- автономная СОТР в виде термостабилизирующей оболочки с электрообогревом, установленной снаружи телескопа;

- автономная СОТР в виде отдельных групп электронагревателей, размещённых на элементах конструкции телескопа;

- СОТР в виде термостабилизирующей оболочки, установленной снаружи телескопа, контур которой соединён с контуром циркуляционной СОТР КА.

В результате проведённого анализа можно сформулировать следующие принципы построения СОТР:

- минимизация внешних тепловых воздействий на телескоп за счёт использования активных методов поддержания требуемого температурного режима средствами СОТР КА термостатируемые оболочка (ТО) и бленда (ТБ);

- введение в состав СОТР теплозащитной крышки бленды (КБ), препятствующей выхолаживанию элементов конструкции телескопа при его нахождении в нерабочем (дежурном) режиме;

- установка теплозащитных покрытий (ЭВТИ) на элементы конструкции телескопа, обращённых к элементам конструкции КА и имеющих при эксплуатации более широкий диапазон температуры;

- уменьшение, в необходимых случаях, кондуктивных связей (телескоп -шпангоут КА, ГЗ - платформа ГЗ, ВЗ - корпус приводов ВЗ) за счёт введения термических развязок или соответствующего выбора конструктивных решений при разработке узлов закрепления;

- нанесение на внутренние поверхности (ТО, ТБ, КБ, НКТ, НКФУ) терморегулируемых покрытий с высоким коэффициентом черноты £>0.90 для увеличения лучистого теплообмена между конструктивными элементами с целью уменьшения на них температурных перепадов;

- нанесение на боковые и тыльные поверхности ГЗ и ВЗ покрытий с низким коэффициентом черноты е < 0,2 с целью уменьшения лучистого теплообмена с окружающими элементами конструкции;

- установка теплоизоляции, тепловых экранов, введение тепловых развязок для защиты оптических элементов, установленных в непосредственной близости от тепловыделяющей аппаратуры.

Один из вариантов принципиальной схемы СОТР телескопа, в котором учитываются всё выше указанные принципы, представлен на рисунке 18.

къ. № а- ;ш )Ш кд

Рисунок 18

В третьей главе рассмотрено влияние изменения температуры на качество оптического изображения.

Термооптическая аберрация положения и увеличения изображения. Рассматривалось два случая: температура всех сред одинакова, но отличаются от исходной, для которой выполнен расчёт; температура отдельных элементов различна, т.е. существует градиент температур. Используя теорию термооптических аберраций Д.С.Волосова для термооптической аберрации положения (смещение А8' плоскости изображения), имеем:

ДЗ' = ~А1 8/2Х (р,2-*)<!; а, , (1)

1=1 Ьр- м _

где Д(: - изменение температуры, Б' - задний отрезок, р - число компонентов, 1гь Ьр -высота нулевых лучей ддя )-го и последнего р-го компонентов, ф; - оптическая сила

_Ё1__ п-1

циент приращения показателя преломления, СХ| - коэффициент линейного расширения материала ьго компонента, <1, - воздушный промежуток, (3* - увеличение 1-го компонента.

Д1^

Термоонтическая аберрация увеличения определяется соотношением:

1-го компонента, У;

термооптическая постоянная стекла, р - козффи-

(2)

где у* - высота пересечения П-го параксиального луча (нулевого) с компонентом «Ь, Гр - расстояние от оптической оси точки пересечения луча с плоскостью изображения при начальной температуре I = 1о, (3* - линейное увеличение 1-го компонента, (У -линейное увеличение от 1+1 до последнего р-го компонента, 8', - задний отрезок 1-го компонента.

Первые слагаемые формул (1) и (2) определяют влияние изменение температуры на термооптические аберрации, обусловленные изменением оптических пара-

метров линзовых компонентов оптических систем КТ, а вторые слагаемые - изменение воздушных промежутков в линзовых компонентах.

Показано, что в зеркально-линзовых системах, построенных по схеме Ричи-Кретьена с линзовым КПА, последний можно рассматривать как бесконечно тонкий компонент с оптической силой ф намного меньшей оптической силы всей системы.

Термоаберрации системы составляют Д5'н--

И 1 р '=1

Показано, что в рассматриваемых длиннофокусных зеркально-линзовых КТ значения АБ' и дГр малы, поэтому термооптическими аберрациями положения и увеличения можно пренебречь.Это объясняется тем, что линзовые КПА расположены вблизи фокальной плоскости объектива, их расстояние 8' до неё составляет 8'<0.1£,К11, где ГЭ1;в- эквивалентное фокусное расстояние объектива КТ. Кроме того, для коррекции кривизны изображения необходимая оптическая сила мала и равна (ркпл = -<Р1+<(Ь, где ф! И ф2 - оптические силы ГЗ и ВЗ.

Показано, что для КТ, построенных по трёхзеркальной схеме, состоящей из ГЗ, ВЗ, зеркального КПА (третье зеркало) и линзового корректора хроматических аберраций значения ДЯ' и А Гр также малы, поскольку оптическая сила корректора мала и не превышает значения МО'4 мм1, а установка корректора вблизи выходного зрачка обеспечивает малые значения величины Д/' //'.

Влияние термодеФормаиий элементов конструкции на изменение положения зеркал объектива.

Основными параметрами температурного режима КТ (рисунок 7), стабилизация которых в определённых пределах может обеспечить требуемое ограничение термодеформаций элементов конструкции, являются:

- средний диаметральный перепад температуры на несущей конструкции телескопа (НКТ) ДТ,жт;

- изменение температуры НКТ на участке съёмки ДТ2Н1СГ;

- изменение среднего диамегрального перепада температуры на НКТ за время съёмки АТ3НКГ:

- разность средних температур диаметрально расположенных растяжек узла вторичного зеркала ДТ|Ш;

- изменение разности средних температур диаметрально расположенных растяжек узла вторичного зеркала за время съёмки ДТгЮ;

- средний диаметральный перепад температуры на несущей конструкции фокального узла (НКФУ) ДТ1НКФУ;

- изменение среднего диаметрального перепада температуры на НКФУ за время съёмки ДТ2ЖФУ;

- изменение средней температуры НКФУ за время съёмки дт3ЖФ\

Показано, что развороты (Уп) и смещения ГЗ (ДХП, АУП) относительно оправы

... М1ГТ нтгт

из-за температурного перепада (ДТ1 ), изменений температура (ДТ2 ) и темпера-

турного перепада на НКТ, составляют:

ап‘Lor*' ДТ{/АТ . .„, ап*Lon' ATtHKT .

УпШ----------г--------♦ДУпИ)----------— »

Diikt 2*Dhkt

т ah-MKT „ і 2 А-гИКТ

... ... аггLor*' Лі ? ., ».. ап-Lon* Aw . ,v г ^ , > угнкт

^п(дгл) ~^--------- >ДУп(лт2)“---------------------------------------------*Дагз(дт3)~ ап wn Ліз *

* * 2 • Dhkt

Развороты фаз) и смещения ВЗ (ДХВз, АУВз) относительно ГЗ из-за изменения температуры и температурного перепада на НКТ за время съёмки определяются соотношениями:

— ІДнкт" Lukt ~ ftp (t-дэз + Lon)]' AT7^ .

' вз(дг2) ” ~ ’

L/іікт

UrL^WuV^lf!; J'ATfT,

2 2Diikt

где a - коэффициент линейного расширения материала элемента; L - линейный размер элемента.

Полагая, что смещения и развороты ВЗ за время съёмки не должны превышать значений | ДХпз I, IAYB31 и | Д^з | можно написать формулы для вычисления допустимого изменения температуры и диаметрального перепада температуры на

НКТ" I ДГ?°1 =___________83 1_______ І ду-//'Л7І __________________________________^|д> из I • Рккт_^

СІіікт * Later ~ Go {ілвз + lj.nl '1 (Хнкт ' Lnfr; ~ Оо (Loss + Ілп)

LrHfffl . . 1А/вз1'Ріікт

ІА 2 L 7г (г 2 т 2 \ ‘

1 анкт ■LtlKT~'aovU)B3 Lon/ *

Термодеформации несущей конструкции фокального узла (НКФУ), возникающие из-за изменения её температуры ДТІНКФУ за время съёмки, могут вызвать дополнительную расфокусировку Afi'IK<Iiy, а термодеформации, приобретённые конст-

W ’ А ГТЛ НКФУ

рукциеи из-за изменения диаметрального температурного перепада Д12 - до-

полнительную расфокусировку Af2HKOy на краю ноля, обусловленную наклоном приёмника изображения (ОЭП):

дг НКФУ _ „ т Д1' !ПчФ>,

Дч - ССЦКФУМПСФУАІ і , Af

ігкфу _ Онісфу ' Ьнкфу • ДТГУ Loan

2 Инкфу

Исходя из допустимых значений дополнительной расфокусировки к концу съёмки, можно оценить допустимые значения изменения температуры и диаметрального температурного перепада НКФУ:

I т,„..| |д'Г”1 .

дТ1 |_----------------, |ДТг _ .

(Хикфу ' Ьнкфу апкФУ1 Ьнкфу * ьоэп

Влияние изменения температуры на качество изображения КТ. обусловленное изменением воздушных промежутков между зеркалами. Изменение воздушных промежутков между ГЗ и ВЗ, ВЗ и КПА, заднего отрезка (между КПА и фокальной плоскостью) приводят к дефокусировке и снижению качества изображения.

Положим, что ГЗ является базовым элементом, относительно которого смещаются компоненты при изменении температуры на АТ.

При смещении ВЗ на §2 промежуточное изображение после ГЗ и ВЗ сместится

I*

£

на 52+й;р?, где В) - линейное увеличение ВЗ, равное р2 =—?1—, где ^ - фокусное ' " Г1 -<* расстояние ГЗ, (1 - воздушный промежуток между ГЗ и ВЗ.

Смещение изображения в фокальной плоскости (дефокусировка) составляет 6Ь2 =62(и-р1)-р|, где Рз-линейное увеличение КПА.

Смещение КПА на 53 приводит к смещению изображения е фокальной плоскости на 5Ь3: 5Ь3 = б3(1+р|). Т.о., суммарная дефокусировка §Ь, обусловленная изменением воздушных промежутков, составляет 6Ь = 8Ц + ЙЦ = й2Рз[| +р2 ]+й3() + р3 ]. В схемах Ричи-Кретьена и трёхзеркальной схеме КПА работают с увеличением р3 £ 1. Учитывая, что второе слагаемое намного меньше первого, примем бЬгб^+р^Рз-Оценим влияние дефокусировки на качество изображения, в частности на

, „

Н'рет при наличии дефокусировки \У;о составляет Подставляя

\ч?0 = в формулу7, находим-1 = А'5-0,15-5Ь.

48 .

Подставляя значение 5Ь, получим =0,15А'2б2[х+р2] = о, 15А'2[1 <5 аЛТ.

Отсюда допустимое значение изменения температуры в процессе съёмки объекта в интервале между режимами фокусировки по САФ равно 1ц/)

СУО /дпп

/дпрЧ _ \ СКО /дпп

К Чт' 0Л5А'2(1 + Рг)р^-а'

Влияние изменения температуры на качество изображения КТ. обусловленное термодеформациями рабочих поверхностей зеркал.

Теплообмен излучением в замкнутой системе поверхностей, образованной группой тел (ГЗ, ВЗ и НКТ), разбиение конструкции которых произведено на конечные элементы, описывался системой уравнений:

{ОгаднпсодСГгзт - Тщстш)+ Опш-взмСГгзш - Твз(К>) = О Овз(к>нктфС1вз(к) - Тнкто))+ Овз(к)-гз(о(Твз(к)- Тгзя)) = О, где Тгзо) - температура г-го элемента ГЗ, Тв3(к) - температура к-го элемента ВЗ, Тнктф ~ температура ]-го элемента НКТ, Огзцнпсгф - тепловая проводимость между ьым элементом ГЗ и _Илм элементом НКТ, Огзоьвзм - тепловая проводимость между 1-ым элементом ГЗ и к-ым элементом ВЗ, Овз(кьнкту) - тепловая проводимость между к-ым элементом ВЗ и ]-ым элементом НКТ.

Тепловая проводимость для элементов ГЗ и НКТ вычислялась по формуле:

о £п« Ргзд-нкк »' 8гз(о (Тгзд - Т ют; д)

Сгз«-нкт® - _

1 ГЭС!)— 1икГ(А

где а - постоянная Стефана-Больцмана; фиш - нкто> - коэффициент облучённости ого элемента ГЗ ]-ым элементом НКТ; сП{:) и впи - коэффициенты черноты и площадь поверхности 1-го элемента соответственно.

Тепловые проводимости между элементами ВЗ и НКТ, а также для ГЗ и ВЗ описываются аналогичными соотношениями.

Распределение температуры в толще зеркал описывалось стационарным урав-

(Э2т^ , ГЭ2Т^ , (Э2!4!

+ »г-

нением теплопроводности: Х| ^-г 1 +

\Ъх1)

В качестве граничных условий задавались два расчётных случая: продольный перепад температуры на НКТ (10К) и поперечный перепад температуры (6К). Расчёт

проводился в среде АШУЗ. Результаты теплового расчета использовались для определения величин термодеформаций в зеркалах.

При этом задавались ограничения деформации но осям в местах крепления зеркал. В работе приведены результаты расчётов полей деформаций в соответствии с вышеприведёнными соотношениями.

При оценке деформаций оптических поверхностей в виде разложения по полиномам Пернике были использованы шесть файлов. В первых двух исходных файлах содержится информация о координатах узлов сетки ВЗ и ГЗ при отсутствии какого-либо возмущения. Остальные четыре исходных файла рассматривались как массивы, представленные в виде таблиц смещений на ДХ!, ДУ; и Л2, узлов сетки первых двух исходных файлов при «продольном» или «поперечном» возмущении (рис. 19).

г-ый учел деф срки розанн ей повгрдаосгя '

^ Попеоечнаяюоопнвагаг

Рисунок 19. Иллюстрация алгоритма расчёта функции деформации оптической поверхности

В работе приведены результаты расчетов значений максимального отклонения оптической поверхности - и среднеквадратической деформации оптической поверхности -И'?" при «продольных» и «поперечных» возмущениях на основе алгоритма построения функции ДРДг, у), который заключался в следующем:

- по координатам узлов, лежащих на иедеформированной оптической поверхности, путём линейной аппроксимации строилась функция Р0/г, у);

~ по координатам узлов (X; + ЛХ;, У; + АУЬ +&%), лежащих на деформированной оптической поверхности, пугём линейной апроксимации строилась функция

у);

- на основании функций ^(г, у) и Щг, у) строилась таблица функции Д^(г, у) по алгоритму Щг, у) - Р0Д?., у).

Расчёты были проведены для космического телескопа с диаметром ГЗ - 1200 мм и Г=15700 мм при продольном перепаде температур 10К и поперечном перепаде

6К. Показано, что наибольшие деформации оптических поверхностей (\У0П) и среднеквадратическое отклонение оптической поверхности {Ч?°Ц0 ): составляют для ГЗ:

• 0.091 мкм, И'с™ = 0.017 мкм; для ВЗ - \Уоа = 0.013 мкм = 0.004 мкм, и

являются допустимыми для работы КТ.

В четвёртой главе приведены экспериментальные данные по функционированию разработанных служебных систем КТ высокого пространственного разрешения при лётных испытаниях в соответствии с проведёнными теоретическими исследованиями. Устойчивость КТ к воздействиям, возникающим на участке выведения, оценивались путём сравнения значений координат автоколлимационных изображений

(АКИ) на фото приемных устройствах (ФПУ) САЮ-У, САЮ-Л и остаточных разъю-стировок, полученных до и после вывода КА на орбиту, при заарретированном вторичном зеркале (ВЗ). Характеристики устойчивости элементов телескопа к воздействиям участка выведения представлены в работе.

Полученные значения контрольных параметров при смещениях и разворотах ВЗ незначительно изменяют : разворот ВЗ увеличивает \у'^0 на 1 - 2 %, а смещение ВЗ - на 6% относительно исходной системы, для которой - 0.03 А,.

Погрешность отработки САФ в процессе лётных испытаний удовлетворяла требованиям обеспечения заданной точности. Так среднеквадратическое отклонение остаточной расфокусировки, составила ± 0.057 мм при допустимой предельной погрешности фокусировки ± 0.28 мм.

Оценка выполнения заданных требований по обеспечению температурных параметров разработанной СОТР с большим запасом обеспечивала поддержание температурного режима в узких пределах.

В процессе лётных испытаний СОТР обеспечила температурный режим телескопа в узких пределах близких к температуре, при которой производилась юстировка изделия на заводе-изготовителе.

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Разработаны основные принципы построения оптических схем для крупногабаритных термостабилизированных космических телескопов высокого разрешения.

2. Предложены возможные варианты конструктивного исполнения основных узлов телескопа, определяющих его характеристики.

3. Разработаны методы и средства обеспечения стабильности параметров телескопов космического базирования на этапах наземной и штатной эксплуатации в составе КА.

4. Получены соотношения для определения влияния изменения температуры на качество оптического изображения.

5. Получены экспериментальные данные о влиянии дестабилизирующих факторов участка выведения КА на положение элементов оптической системы и характеристики систем САЮ и САФ.

6. Получены экспериментальные данные о стабильности температурного режима элементов конструкции телескопа, обеспечиваемые системой СОТР, и сохранности параметров систем САЮ и САФ до и после пребывания КА в тени Земли.

1. Савицкий А.М., Сокольский M.IL Оптические системы объективов для малых космических аппаратов. Оптический журнал, 76,10, 2009, стр. 83.

2. Савицкий А.М.. Влияние теплового режима на конструктивные характеристики космического телескопа. Оптический журнал, 76,10,2009, стр. 89.

3. Савицкий А.М., Соколов И.М.. Вопросы конструирования облегчённых главных зеркал космических телескопов. Оптический журнал, 76,10,2009, стр. 94.

4. Горбунов Г.Г., Дёмин А.В., Никифоров В.О., Савицкий А.М., Скворцов Ю.С., Сокольский М.Н., Трегуб В.П... Гиперспектральная аппаратура для дистанционного зондирования Земли. Оптический журнал, 76, 10, 2009, стр. 75.

5. Савицкий А.М. Влияние теплового режима на конструктивные характеристики космических телескопов. Материалы VI научно-технической конференции СНМДЗЗ. Москва, 2009, стр. 124.

6. Савицкий А.М., Сокольский М.Н. Космический телескоп нового поколения для ДЗЗ. Материалы VII научно-технической конференции СНМ ДЗЗ. Москва, 2010, стр. 61.

7. Савицкий А.М., Сокольский М.Н., Данилов В.А., Игонин А.И., Шлепаков А.Б. Оптико-электронная система (ОЭС) нового поколения для микроспутников (изделие ОЭС). Тезисы докладов VIII научно-технической конференции СНМ ДЗЗ. Москва, 2011, стр. 34

8. Бакланов А.И., Клюшников М.В., Савицкий А.М., Стратилатов Н.Р., Хайлов М.Н.. Комплекс оптико-электрониой аппаратуры высокого пространственного разрешения для перспективных российских спутников ДЗЗ. Материалы VII научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» (СНМДЗЗ). Москва, 2010, стр. 35.

9. Данилов В.А., Маламед Е.Р., Савицкий А.М.,. Схемно-технические решения оптико-электронных камер для дистанционного зондирования Земли, установленных на МКА. Тезисы докладов IV Международной конференции.- выставке малых спутников. Книга 1, г. Королёв Московской области, 2004, стр. 136.

10. Данилов В.А., Никифоров В.О., Савицкий А.М., Сокольский М.Н.. Зеркальные триплеты для широкоугольной ОЭК ДЗЗ. Материалы VI научно-технической конференции СНМДЗЗ. Москва, 2009, стр. 162.

11. Данилов В.А., Никифоров В.О., Савицкий А.М., Сокольский М.Н.. Оптикоэлектронные комплексы для МКА. Материалы V научно-технической конференции СНМДЗЗ. Москва, 2008, стр. 65.

12. Данилов В.А., Никифоров В.О., Савицкий А.М., Сокольский М.Н. Сравнительные параметры космических телескопов ОЭК ДЗЗ по оптическим схемам Ричи-Кретьена и Д. Корша. Материалы VI научно-технической конференции СНМДЗЗ. Москва, 2009, стр. 79.

13. Данилов В.А., Летуновский А.В., Савицкий А.М., Сокольский М.Н. Схемнотехнические решения оптико-электронных камер для дистанционного зондирования Земли, устанавливаемых на малые космические аппараты. Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Особенности развития

космической отрасли России и перспективы её дальнейшей интеграции в систему международных экономических связей». Санкт-Петербург, 2007, стр. 91.

14. Данилов В.А., Никифоров В.О., Сокольский М.Н., Аронов А .М., Савицкий А.М. . Оптико-электронные системы дистанционного зондирования Земли. Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Особенности развития космической отрасли России и перспективы её дальнейшей интеграции в систему международных экономических связей». Санкт-Петербург, 2007, стр. 93.

15. Никифоров В.О., Савицкий А.М., Сокольский М.Н., Данилов В.А., Дёмин А.В.

Многоспектральиые оптико-электронные системы для микроспутников нового поколения. Материалы V научно-технической конференции СНМ ДЗЗ. .Москва, 2008, стр. 34. '

16. Данилов В.А., Путилов И.Е., Савицкий А.М., Сокольский М.Н., Лысенко А.И.,

Петров Ю.Н.. Трёхзеркальная оптическая система без экранирования. Патент № 82876,10 мая 2009,Бюллетень №13 -

17. Данилов В.А., Путилов И.Е., Савицкий А.М., Сокольский М.Н.. Космический телескоп. Патент № 78957,10 декабря 2008, Бюллетень №34

18. Савицкий А.М., Данилов В.А., Путилов И.Е., Сокольский М.Н., Петров Ю.Н., Лысенко А.И. Зеркально-линзовый объектив. Патент на изобретение № 2415451 (РФ).27 марта 2011, Бюллетень №9.

Тнражирование и брошюровка выполнены в учреждении «У нивепситетские телекоммуникации»

197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812) 233 46 69, Объем 1,0 у.п.л.

Тираж 100 экз

Введение

Глава 1 Оптические схемы космических телескопов •

1.1 Принципы построения оптических схем

1.2 Оптические системы космических телескопов

1.2.1 Линзовые системы

1.2.2 Зеркальные системы

1.2.2.1 Трёхзеркальная схема

1.2.2.2 Четырёхзеркальная схема

1.2.2.3 Зеркальный триплет

1.2.3 Зеркально-линзовые системы 29 1.2.3.1 Оптические системы по схеме Ричи-Кретьена для крупногабаритных космических телескопов

1.2.3.2 Защита фокальной плоскости от «паразитных» за- 33 светок

1.2.3.3 Сравнительные параметры схем Корша и Ричи- 35 Кретьена

Глава 2 Методы и средства обеспечения стабильности параметров 37 крупногабаритных космических телескопов

2.1 Принципиальная конструкция крупногабаритных кос- 37 мических телескопов

2.1.1 Главное зеркало

2.1.2 Вторичное зеркало

2.1.3 Корректор полевых аберраций

2.1.4 Несущая конструкция телескопа

2.1.5 Несущая конструкция фокального узла

2.1.6 Служебные системы телескопа 71 2.1.6.1 Система автоматической юстировки

2.1.6.2 Система автоматической фокусировки

2.2 Принципы построения СОТР телескопа

Глава 3 Влияние изменения температуры на качество оптического 89 изображения

3.1 Термооптическая аберрация положения и увеличения 90 изображения

3.1.1 Термооптическая аберрация системы, состоящей из 91 бесконечно тонких линз

3.1.2 Термооптические аберрации космических телескопов 96 по схеме Ричи-Кретьена

3.2 Влияние термодеформаций элементов конструкции на 101 изменение положения зеркал объектива

3.3 Качество оптического изображения КТ

3.4 Влияние изменения температуры на качество изобра- 111 жения КТ, обусловленное изменением воздушных промежутков между зеркалами

3.5 Влияние изменения температуры на качество изобра- 113 жения КТ, обусловленное термодеформациями рабочих поверхностей зеркал

3.5.1 Расчёт температурных полей и полей деформаций 117 зеркал

3.5.2 Оценка деформаций оптических поверхностей в виде 125 разложения по полиномам Цернике

Глава 4 Экспериментальные данные по функционированию служеб 137 ных систем крупногабаритного космического телескопа вы сокого разрешения при лётных испытаниях 4.1 Влияние дестабилизирующих факторов участка выведе- 137 ния на положение элементов оптической системы и характеристики системы САЮ

4.2 Оценка параметров температурного режима телескопа 139 при штатной эксплутации

4.2.1 Выполнение требований по обеспечению температур- 139 ного режима элементов конструкции телескопа

4.2.2 Оценка влияния пребывания КА в тени Земли на стабильность температурного режима и сохранность юстировки и фокусировки телескопа

Актуальность диссертационной работы

В настоящее время во многих странах уделяют серьёзное внимание созданию космических аппаратов (КА), оснащённых оптико-электронными камерами (ОЭК), предназначенными для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Основными компонентами ОЭК являются космический телескоп (КТ) и система приёма и преобразования информации (СППИ). ОЭК используются для решения широкого спектра задач в интересах изучения природных ресурсов, сельского хозяйства, метрологии, картографии и ДЗЗ с получением снимков с высоким пространственным разрешением (менее 1 м). Основные высоты орбит, на которых работают ОЭК для ДЗЗ, лежат в пределах (500 - 800) км. Это требует применения ОЭК с большими диаметрами оптических систем объективов КТ. В связи с этим при одновременном ограничении по массогабаритным характеристикам, стоимости разработки и изготовления предъявляются особо жёсткие требования в целом к объективу КТ, к конструкции оптической системы, её габаритам, компоновке, минимизации оптических компонентов, сохранению качества телескопа в условиях эксплуатации при наличии действия дестабилизирующих факторов космического пространства.

Дестабилизирующие факторы вызывают деформации конструкции, которые могут привести к изменению взаимного положения элементов оптической системы, нарушая её юстировку, и как следствие к ухудшению качества изображения, изменению некоторых параметров, которые аттестовыва-ются при наземных испытаниях и используются при дальнейшей обработке полученных изображений.

Из наиболее существенных дестабилизирующих факторов можно отметить следующие:

- силовые и вибродинамические воздействия на телескоп в процессе вывода его на орбиту, приводящие к микродеформациям в стыках элементов конструкции;

- отсутствие силы тяжести на орбите, вызывающее перераспределение напряжений и деформаций конструкции, обусловленных силами тяготения, действовавшими на телескоп в наземных условиях при его аттестации и испытаниях;

- ионизирующие излучения естественных радиационных поясов Земли и космических лучей, которые могут воздействовать на материалы оптических деталей, их покрытия и на характеристики фотоэлектронных устройств;

- изменение температуры и температурные перепады на элементах конструкции, вызывающие термодеформации.

Наиболее существенными для КТ являются температурные возмущения. Для ограничения их влияния на борту К А предусматривается система обеспечения температурного режима (СОТР), представляющая собой совокупность как активных (циркуляционные системы терморегулирования, электронагреватели), так и пассивных средств обеспечения теплового режима (теплоизоляция, терморегулирующие покрытия, тепловые экраны, теплопроводы, термосопротивления).

В крупногабаритных ОЭК с диаметром входного зрачка более 1000 мм полностью предохранить КТ от температурных и других деформаций, как правило, не удаётся. Поэтому для восстановления характеристик качества оптической системы после воздействия на неё возникающих при выводе на орбиту возмущений и для поддержания этих характеристик в течение всего срока эксплуатации на орбите в КТ предусматриваются служебные системы: системы автоматической юстировки (САЮ) и фокусировки (САФ). В основу их построения положен принцип, предусматривающий измерение перед каждым сеансом съёмки приобретённых в процессе эксплуатации разъюстировки и расфокусировки и обеспечение их устранения путём расчёта и отработки соответствующих перемещений корректирующего элемента оптической системы. Для КТ меньшего диаметра обычно ограничиваются только САФ.

В этой связи создание КТ с форсированными оптическими параметрами (диаметр входного зрачка, фокусное расстояние, поле зрения) и дифракционно-ограниченным качеством изображения (среднеквадратическое отклонение волнового фронта - < (0,05 -е- 0,1) К), устойчивого к механическим воздействиям и изменению температуры при массо-габаритных ограничениях требует поиска новых схемотехнических рещений, что и определяет актуальность диссертационной работы.

Цель и задачи работы

Целью работы является развитие принципов построения оптических систем высокоапертурных крупногабаритных КТ, качество изображения в которых устойчиво к воздействию дестабилизирующих факторов в заданных условиях эксплуатации.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Разработка принципов построения и компоновки объективов КТ с целью обеспечения высокого пространственного разрешения.

2. Разработка методов и средств обеспечения устойчивости объективов КТ к изменению температуры и механическим возмущениям в заданных условиях эксплуатации.

3. Разработка принципов конструирования основных узлов КТ: главных и вторичных зеркал, корректора полевых аберраций, несущих элементов конструкции.

4. Вывод соотношений для оценки влияния дестабилизирующих факторов на качество изображения КТ.

Объект исследования

Основным объектом исследования в работе является телескопическая оптическая система высокого разрешения для решения задач ДЗЗ.

Методы исследования

Основными методами исследования являлись:

1. Аналитические методы расчёта оптических систем и моделирование характеристик качества изображения с использованием современного программного обеспечения расчёта оптических систем.

2. Методы и средства обеспечения стабильности параметров космических телескопов высокого разрешения.

3. Аналитические методы расчёта влияния изменения температуры на качество изображения телескопа.

4. Лётно-конструкторские испытания, подтверждающие правильность конструкторских решений и принципов построения КТ, методов исследования в наземных условиях.

Научная новизна

1. Разработаны принципы построения зеркально-линзовых оптических систем высокого разрешения для крупногабаритных КТ для дистанционного зондирования поверхности Земли, устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов.

2. Разработаны варианты конструктивного исполнения основных узлов крупногабаритных КТ, обеспечивающие стабильность его технических характеристик как в наземных условиях, так и в условиях эксплуатации на орбите.

3. Разработаны и экспериментально подтверждены принципы построения комплекса служебных систем и устройств КТ, обеспечивающих в условиях космического пространства высокоточный контроль за положением оптических компонентов - систем автоматической юстировки (САЮ) и фокусировки (САФ) объектива КТ.

4. Разработаны и экспериментально подтверждены принципы построения системы обеспечения теплового режима (СОТР) для крупногабаритных КТ высокого разрешения в условиях воздействия температуры при его эксплуатации на орбите.

5. Получены аналитические соотношения для оценки влияния температуры и температурных перепадов на качество оптического изображения.

Практическая ценность работы

Разработанные принципы построения оптических систем КТ могут быть использованы при создании широкого ряда аппаратуры для решения различных задач дистанционного зондирования Земли и, прежде всего, аппаратуры высокого и сверхвысокого разрешения.

Результаты диссертационной работы реализованы в ОАО «ЛОМО», ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара), что подтверждается соответствующими актами.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Принципы построения оптических систем и конструктивного исполнения основных узлов КТ, обеспечивающих сохранение их качества в условиях действия дестабилизирующих факторов космического пространства, прежде всего температуры.

2. Принципы построения комплекса служебных систем и устройств КТ, обеспечивающих в условиях космического пространства высокоточный контроль за положением оптических компонентов - систем автоматической юстировки (САЮ) и фокусировки (САФ) объектива.

3. Основные принципы построения системы обеспечения теплового режима (СОТР), обеспечивающей поддержание заданного температурного режима на элементах КТ.

4. Соотношения для оценки влияния изменения температуры на положение оптических компонентов, форму поверхностей зеркал и качество оптического изображения.

Вклад автора в работу

Все исследования, включённые в диссертацию, выполнены при руководстве и личном участии автора в процессе разработки принципов построения оптических систем для космических телескопов ДЗЗ. Им лично предложено обоснование выбора параметров оптических и конструктивных схем для крупногабаритных термостабилизированных КТ для ДЗЗ, имеющих высокое и сверхвысокое пространственное разрешение. Автор диссертации непосредственно участвовал на всех этапах его реализации в процессе проведения опытно-конструкторских работ, начиная с разработки эскизных проектов и заканчивая лётно-конструкторскими испытаниями изделий.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на V научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли (СНМ ДЗЗ)», г. Адлер, 2008 г.; на VI научно-технической конференции СИМ ДЗЗ, г. Адлер, 2009 г.; на VII научно-технической конференции СНМ ДЗЗ, г. Адлер, 2010 г.; на VIII научно-технической конференции СНМ ДЗЗ, г. Геленджик, 2011 г.; на IV международной конференции-выставке малых спутников, г. Королёв, Московской области, 2004 г.; на международной научно-практической конференции «Особенности развития космической отрасли России и перспективы её дальнейшей интеграции в систему международных экономических связей, г. Санкт-Петербург, 2007г.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 18 работ, в том числе 3 патента на изобретение и 15 статей, из которых 4 статьи опубликованы в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и двенадцати приложений. Работа содержит 183 страницы текста, 72 рисунка и 29 таблиц.

Выводы

1. Предложена методика расчёта температурных полей и термоде-форма-ций рабочих поверхностей ГЗ и ВЗ при воздействии температурных перепадов на НКТ: продольных и поперечных, по методу конечных элементов.

2. По полученным термодеформациям поверхностей предложены методики описания деформаций формы поверхностей зеркал ортогональными полиномами Цернике и расчёта Ш°"0 и №оп .

3. Методики иллюстрируются расчётами термодеформаций поверхностей ГЗ и ВЗ космического телескопа с диаметром ГЗ - 1200 мм и f '= 15700 мм (приложение 1.12) при продольном перепаде температур - 10К и поперечном перепаде - 6К. Показано, что наибольшие деформации поверхностей составляют: для ГЗ: =0,017 мкм; = 0,091 мкм; для ВЗ: = 0,004 мкм; Жоп =0,013 мкм и являются допустимыми для работы КТ.

Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ПО ФУНКЦИОНИРОВАНИЮ СЛУЖЕБНЫХ СИСТЕМ КРУПНО-ГАБАРИТНОГО КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ ПРИ ЛЁТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

4.1 Влияние дестабилизирующих факторов участка выведения на положение элементов оптической системы и характеристики системы САЮ

Устойчивость телескопа и его служебных систем автоматической юстировки к воздействиям, возникающим на участке выведения, оценивались путём сравнения значений координат автоколлимационных изображений (АКИ) на фотоприёмных устройствах (ФПУ) САЮ-У, САЮ-Л и остаточных разъюстировок, полученных до и после вывода КА на орбиту, при зааррети-рованном вторичном зеркале (ВЗ). Характеристики устойчивости элементов телескопа к воздействиям участка выведения представлены в таблице 4.1.

Значения показаний датчиков положения приводов УВЗ, остаточных разъюстировок, полученные до и после вывода КА на орбиту, и их разности свидетельствуют о том, что:

- автоколлиматоры САЮ-У, САЮ-Л практически не нарушают своё положение относительно ГЗ, ибо АКИ ГЗ остаются в рабочих зонах ФПУ;

- конструкция телескопа, в частности узел приводов ВЗ, обладает жёсткостью, необходимой для обеспечения сохранности взаимного положения основных элементов оптической системы, поскольку изменение остаточных разъюстировок после участка выведения значительно меньше допустимых отклонений, а АКИ ВЗ остаются в пределах рабочих зон ФПУ;

- арретирование ВЗ на период участка выведения надёжно изолирует приводы УВЗ от силовых воздействий и тем самым сохраняет рабочие диапазоны разворотов и смещений ВЗ относительно ГЗ, необходимые для юстировки.

В частности, полученные значения контрольных параметров при смещениях и разворотах ВЗ, незначительно изменяют среднеквадратическое отклонение волнового фронта (И^ко)'- разворот ВЗ увеличивает 1¥™0 на 1-2 %, а смещение ВЗ - на 6 % относительно исходной системы, для которой = 0,03 Х(к = 0,65 мкм).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Разработаны основные принципы построения оптических схем для крупногабаритных термостабилизированных космических телескопов высокого разрешения.

2. Предложены возможные варианты конструктивного исполнения основных узлов телескопа, определяющих его характеристики.

3. Разработаны методы и средства обеспечения стабильности параметров телескопов космического базирования на этапах наземной и штатной эксплуатации в составе КА.

4. Получены соотношения для определения влияния изменения температуры на качество оптического изображения.

5. Получены экспериментальные данные о влиянии дестабилизирующих факторов участка выведения КА на положение элементов оптической системы и характеристики системы САЮ.

6. Получены экспериментальные данные о стабильности температурного режима элементов конструкции телескопа, обеспечиваемые системой СОТР, и сохранности параметров систем САЮ и САФ до и после пребывания КА в тени Земли.

1. Д.С. Волосов. Оптика и спектроскопия. Т 4, 1958.

2. Д.С. Волосов Фотографическая оптика.

3. А.П. Грамматин, A.A. Сычёва. Трехзеркальный объектив телескопа без экранирования. ОЖ. 2010, т. 77 № 1, стр. 24 77.

4. Г.Г. Горбунов, A.B. Дёмин, В.О. Никифоров, A.M. Савицкий, Ю.С. Скворцов, М.Н. Сокольский, В.П. Трегуб. Гиперспектральная аппаратура для дистанционного зондирования Земли. Оптический журнал, 76, 10, 2009, стр. 75.

5. В.А. Данилов, В.О. Никифоров, A.M. Савицкий, М.Н. Сокольский. Зеркальные триплеты для широкоугольной ОЭК ДЗЗ. Тезисы докладов VI научно-технической конференции СНМДЗЗ. Москва, 2009, стр. 162.

6. В.А. Данилов, И.Е. Путилов, A.M. Савицкий, М.Н. Сокольский, А.И. Лысенко, Ю.Н. Петров. Трёхзеркальная оптическая система без экранирования. Патент № 82876, 2008.

7. В.А. Данилов, В.О. Никифоров, A.M. Савицкий, М.Н. Сокольский. Оптико-электронные комплексы для МКА. Тезисы докладов V научно-технической конференции СНМДЗЗ. Москва, 2008, стр. 65.

8. В.А. Данилов, И.Е. Путилов, A.M. Савицкий, М.Н. Сокольский. Космический телескоп. Патент № 78957, 2008.

9. В.А. Данилов, В.О. Никифоров, A.M. Савицкий, М.Н. Сокольский. Сравнительные параметры космических телескопов ОЭК ДЗЗ по оптическим схемам Ричи-Кретьена и Д. Корша. Тезисы докладов VI научно-технической конференции СНМДЗЗ. Москва, 2009, стр. 79.

10. В.А. Зверев, Е.В. Кривопустова. Оптотехника несферических поверхностей. Учебное пособие. ТУ СПбИТМО. Санкт-Петербург, 2006.

11. Конструкционные материалы. Справочник под общей редакцией Б.Н. Арзамасова. М. Машиностроение. 1990.

12. Г.И. Лебедева, A.A. Гурбуль. Перспективные аэрокосмические зеркальные объективы. ОЖ. 1994. № 8 стр. 57 62.

13. Дж. Ллойд. Системы тепловидения. М. Мир, 1978. стр. 414.

14. А.И. Лысенко, Е.Р. Маламед, М.Н. Сокольский, Ю.Д. Пименов, И.Е. Путилов. ОЖ. 2002, № 2, стр. 21.

15. C.B. Любарский, Ю.П. Химич. Оптические зеркала из нетрадиционных материалов. Оптический журнал. 1997, № 9.

16. Д.Д. Максутов. Астрономическая оптика. Л. Наука, 1979, стр. 179.

17. Е.Р. Маламед. Конструирование оптических приборов космического базирования. Учебное пособие ТУ СПбИТМО. Санкт-Петербург, 2002.

18. М.М. Мирошников, JI.A. Мирзоева, В.Ф. Захаренков, Г.А. Макав-цев, Ю.Н. Раковский, В.Д. Стариченкова. Целенаправленные фундаментальные исследования в Государственном оптическом институте. Санкт-Петербург, 2009, стр. 100.

19. Д.Д. Максутов. Циркуляры ГАО в Пулково, 1936 № 20.

20. М.М. Мирошников, C.B. Любарский, Ю.П. Химич. Зеркала оптических телескопов. Оптический журнал. 1990, № 9.

21. H.H. Михельсон. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М. Наука, 1976.

22. В.О. Никифоров, A.M. Савицкий, М.Н. Сокольский, В.А. Данилов, A.B. Дёмин. Многоспектральные оптико-электронные системы для микроспутников нового поколения. Тезисы докладов V научно-технической конференции СНМ ДЗЗ. Москва, 2008, стр. 34.

23. Г.И. Попов. Современная астрономическая оптика. М. Наука, 1988, стр. 140.

24. Расчёты машиностроительных конструкций методом конечных элементов. Справочник. В.И. Мяченков. М. Машиностроение. 1989 г.

25. Г.В. Родкевич, В.Н. Робачевская. Возможности снижения массы точных крупногабаритных зеркал. ОМП. 1977, № 9.

26. С.П. Рычков. Моделирование конструкций в среде MSC visual NASTRAN для WINDOWS. M. NT press. 2004

27. A.M. Савицкий, М.Н. Сокольский. Оптические системы объективов для малых космических аппаратов. Оптический журнал, 76, 10, 2009, стр. 83.

28. A.M. Савицкий, В.А. Данилов, М.Н. Сокольский, И.Е. Путилов, Ю.Н. Петров, А.И. Лысенко. Зеркально-линзовый объектив. Патент на изобретение № 2415451 (РФ).

29. A.M. Савицкий. Влияние теплового режима на конструктивные характеристики космического телескопа. Оптический журнал, 76, 10, 2009, стр. 89.

30. A.M. Савицкий. Влияние теплового режима на конструктивные характеристики космических телескопов. Тезисы докладов VI научно-технической конференции СНМДЗЗ. Москва, 2009, стр. 124.

31. A.M. Савицкий, М.Н. Сокольский. Космический телескоп нового поколения для ДЗЗ. Тезисы докладов VII научно-технической конференции СНМ ДЗЗ. Москва, 2010, стр. 61.

32. A.M. Савицкий, М.Н. Сокольский, В.А. Данилов, А.И. Игонин, А.Б. Шлепаков. Оптико-электронная система (ОЭС) нового поколения для микроспутников (изделие ОЭС). Тезисы докладов VIII научно-технической конференции СНМ ДЗЗ. Москва, 2011, стр. 34

33. A.M. Савицкий, И.М. Соколов. Вопросы конструирования облегчённых главных зеркал космических телескопов. Оптический журнал, 76, 10, 2009, стр. 94.

34. JI. Сегерлинд. Применение метода конечных элементов. М. Мир.1979.

35. Г.Г. Слюсарев. Расчёт оптических систем. JI. Машиностроение,1975.

36. Г.Г. Слюсарев. Методы расчёта оптических систем. JI. Машиностроение, 1969.

37. Г.Г. Слюсарев. Методы расчёта оптических систем. JI. Машиностроение, 1969.

38. М.Н. Сокольский. Допуски и качество оптического изображения. JI. Машиностроение, 1989.

39. A.B. Солодов. Инженерный справочник по космической технике. М. 1977.

40. Г.И. Тихомирова Трехзеркальные астрономические объективы. Изв. ВУЗов. Приборостроение. 1967. № 12, стр. 70-75.

41. М.Г. Шпякин. Синтез апохроматических систем. Оптико-механическая промышленность (ОМП), 1979, № 4, стр. 23.

42. М.Г. Шпякин. Расчёт компонентов апохроматов из четырёх марок стёкол для широкой спектральной области. ОМП.

43. Cook. Three mirror anastigmatic optical system. Патент США №4.265.510. 1981.

44. Cook. Lacy G. Reflective optical triplet having areal entrance pupl. Патент США № 4.733.955. 1988.

45. Korsch D. Anastigmatic tree-mirror telescope. Appl. Opt. 1977, V 8, h. 2074 2077.

46. Perry J. W, Proc. Sos. 55. 1943.

47. Silicon Carbide Materials for Ootics and Precision Structure.Proc.1. SPIE.v. 2543. 1995. San Diego, California.

48. Steel W.H. Calcul de la repartition de la lumiere dans l'image d'une ligna. Revue d'Optique. 1952.V 31 № 7, p. 334.

49. Vukobratovich D. «Lightweight Mirror Design». Optomechanical Engineering Handbook. 1999.

50. Wetherell, William В., Womble, David A. All-reflective fhree element objective. Патент США № 4.240.707. 1980.

51. Zonnefeld A. Centr. Optic u Mech, 54, 3, 1933.

52. Фокусное расстояние: 40.2735

53. Диафрагменное число Б/Т): 5.4324

54. Угловое поле, град.: 53.0000

55. Диаметр изображения: 40.0000

56. Диаметр входного зрачка: 7.4136

57. Положение входного зрачка: 52.9334

58. Диаметр выходного зрачка: 56.4446

59. Положение выходного зрачка: -306.47911. Длина системы: 125.9503

60. Спектральные характеристики

61. Длины волн, мкм Относитель-ныевеса Длины волн, мкм Относитель-ныевеса0.5000 0.7 0.7000 1 главная0.5500 0.82 0.8000 0.920.6000 0.89 0.9000 0.65

62. Изобр. плоскость 0.0000 19.9884 0.00001 0и. ь-ош