CC BY
21Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 621.396.67
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АДАПТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА «МИЛЛИМЕТРОН»
В. К. Дубрович, Д. Ю. Заика, В. К. Качурин, Г. С. Цема, С. С. Щесняк
АО «Научный центр прикладной электродинамики» Российская Федерация, 194044, г. Санкт-Петербург, ул. Менделеевская, 8 E-mail: [email protected]
Рассмотрена методика адаптации космического телескопа «Миллиметром», основанная на анализе изображения фокального пятна. Электродинамические расчеты параметров фокального пятна выполнены в приближении физической оптики для видимого диапазона длин волн (X = 0,65 мкм), что позволило увеличить точность установки элементов космического телескопа.
Ключевые слова: активная оптика; космический телескоп; юстировка.
MODELING THE "MILLIMETRON" SPACE TELESCOPE ALIGNMENT V. K. Dubrovich, D. Yu. Zaika, V. K. Kachurin, G. S. Tsema, S. S. Shesnyak
Scientific Center of Applied Electrodynamics 8, Mendeleev Str., Saint Petersburg, 194044, Russian Federation E-mail: [email protected]
The research considers a technique of "Millimetron " space telescope alignment, based on the focal image analysis. Geometric features of a focal spot are being numerically simulated in the physical optics approximation for visible wavelength (X = 0,65 pm). The approach results in the alignment accuracy increase.
Keywords: active optics; space telescope; alignment; adjustment.
Космический телескоп «Миллиметрон» представляет собой двухзеркальный телескоп, выполненный по схеме Кассегрена. Главное зеркало параболическое, диаметром 10 м состоит из центрального зеркала и 72-х панелей. Контррефлектор - гиперболическое зеркало.
Для нормальной работы телескопа необходимо периодически контролировать взаимное расположение его отдельных частей [1-3]. Наиболее простым и надежным методом контроля является амплитудный метод. В данной работе заключение о взаимном расположении отдельных частей телескопа делается на основании анализа свойств фокального пятна. В работе предлагается метод адаптации телескопа по геометрическим свойствам (см. [4]) фокального пятна, как в первичном, так и во вторичном фокусах.
Предполагается, что перед началом процесса адаптации навигационная система совмещает ось центрального зеркала с направлением на удаленный источник излучения. Сам процесс адаптации проходит в три этапа.
Первый этап: совмещение первичного фокуса контррефлектора с фокусом центрального зеркала и контроль точности совмещения оси центрального зеркала с направлением на удаленный источник.
Второй этап: совмещение осей центрального зеркала и контррефлектора.
Третий этап: установка панелей главного зеркала.
Первый этап. Для работы в первичном фокусе в вершине контррефлектора вырезано отверстие, а в первичном фокусе расположена приемная матрица. От удаленного источника излучение падает на
главное зеркало телескопа. Отраженное от главного зеркала излучение частично проходит через отверстие в вершине контррефлектора и попадает на приемную матрицу, расположенную в первичном фокусе контррефлектора.
Отверстие в контррефлекторе играет роль диафрагмы и ограничивает отражающую поверхность главного зеркала так, что она имеет форму кольца. Излучение, прошедшее диафрагму, регистрируется приемной матрицей, которая жестко связана с контррефлектором и при сдвигах и поворотах последнего тоже меняет свое положение. Центр матрицы совмещен с первичным фокусом контррефлектора. Совмещение первичного фокуса контррефлектора с фокусом центрального зеркала означает, что изображение удаленного источника расположено в центре прием-ноц матрицы.
Сдвиги контррефлектора (и тем самым приемной матрицы) вдоль оси центрального зеркала могут существенно изменить структуру изображения на матрице. В рамках настоящей работы проведены расчеты электромагнитного поля в окрестности фокуса центрального зеркала. Расчеты проводились в приближении физической оптики для длины волны X = 0,65 мкм и радиуса отверстия в вершине контррефлектора 25 мм. Для такой геометрии убывание плотности потока энергии на 20 % происходит на расстоянии ~ 10 мкм. Эта величина является оценкой точности установки контррефлектора вдоль оси центрального зеркала. Точность установки в направлении перпендикулярном оси центрального зеркала определяется размерами пикселя приемной матрицы.
Решетневскуе чтения. 2017
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
О 5 10 15 20 25 30 35 40
Погрешность установки контррефлектора в зависимости от максимального угла отклонения фацетов. Ось ОХ максимальный угол отклонения фацетов, ось 01 оценка погрешности
установки контррефлектора
Второй этап. Расчеты фокального пятна в главном фокусе телескопа показали, что поворот контррефлектора вокруг оси, проходящей через первичный фокус контррефлектора, очень мало изменяют структуру пятна, а только сдвигают его центр. По величине сдвига определяется наклон контррефлектора и производиться его установка.
Для установки контррефлектора по углу необходимо минимизировать вклад панелей главного зеркала в фокальное пятно. Для этого панели устанавливаются так, чтобы «зайчики» от них не попадали на центральное пятно. Таким образом, для совмещения осей контррефлектора и центрального зеркала достаточно развести панели так, чтобы они не влияли на центральное пятно и установить это пятно в центр матрицы.
Третий этап. На третьем этапе производится установка панелей. Для этого панель поворачивается на небольшой угол и путем вычитания двух изображений до и после поворота выделить «зайчик» от данной панели. Затем по положению «зайчика» на изображении вычисляется поворот, на который необходимо повернуть панель.
В работе проведено исследование неровностей образца поверхности главного зеркала. Построена фасеточная модель главного зеркала и на ее основании разработана программа вычисления фокального пятна в первичном и вторичном фокусе. В модели на центральном зеркале и на каждой панели задается массив фацетов со случайными координатами, случайным углом отклонения нормали фацета от нормали к идеальному параболоиду и случайной площадью. Количество фацетов на каждом элементе главного зеркала определяется площадью этого элемента и средним размером фацета.
На основании расчетов методика адаптации телескопа обобщена на отражатели имеющие неровности. На первом этапе установка контррефлектора вдоль оси центрального зеркала производится по критерию минимальной ширины пучка [5]. На рисунке изображен график погрешности установки контррефлектора
вдоль оси центрального зеркала от максимального угла отклонения фацетов. Ось OX - максимальный угол отклонения фацетов, ось OY оценка погрешности установки контррефлектора.
Проведено обоснование метода установки панелей по разности изображений. Проделанные вычисления позволяют применять разность изображений для адаптации положения панелей. Показано, что излучение удаленной звезды в оптическом диапазоне может быть использовано для достаточно точной юстировки элементов радиотелескопа.
Библиографические ссылки
1. Noethe L. Active optics in modern large optical telescopes // Progress in optics. 2002. Vol. 43. Р. 1-70.
2. McLeoda B. et al. The Giant Magellan Telescope active optics system //mirror (FSM). 2014. Vol. 4. Р. 5.
3. Laslandes M. et al. Mirror actively deformed and regulated for applications in space: design and performance // Optical Engineering. 2013. Vol. 52, № 9. Р. 091-803.
4. Teague M. R. Image analysis via the general theory of moments // JOSA. 1980. Vol. 70, № 8. Р. 920-930.
5. Тараненко В. Г., Шанин О. И. Адаптивная оптика. М. : Радио и связь, 1990.
References
1. Noethe L. Active optics in modern large optical telescopes //Progress in optics. 2002. Vol. 43. Р. 1-70.
2. McLeoda B. et al. The Giant Magellan Telescope active optics system //mirror (FSM). 2014. Vol. 4. Р. 5.
3. Laslandes M. et al. Mirror actively deformed and regulated for applications in space: design and performance // Optical Engineering. 2013. Vol. 52. № 9. Р. 091-803.
4. Teague M. R. Image analysis via the general theory of moments // JOSA. 1980. Vol. 70, № 8. Р. 920-930.
5. Taranenko V. G., Shanin O. I. Adaptivnaja optika. (Adjustable optics). М. : Radio i svjaz', 1990.
© Дубрович В. К., Заика Д. Ю., Качурин В. К., Цема Г. С., Щесняк С. С., 2017
