Система разгрузки зеркала оптического телескопа



Система разгрузки зеркала оптического телескопа
Система разгрузки зеркала оптического телескопа

 


Владельцы патента RU 2498361:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Российской академии наук Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН (ИСЗФ СО РАН) (RU)

Изобретение может быть использовано для крупногабаритных оптических астрономических зеркал, которые нуждаются в осевой и радиальной поддержке, чтобы исключить их деформацию от собственного веса, из-за релаксации внутренних напряжений и изменения ориентации зеркал в пространстве. Система содержит механическую радиальную разгрузку и пневмомеханическую осевую разгрузку, при которой основание зеркала при любых углах наклона прижимается к осевым опорам с силой, равной весу зеркала, создаваемой за счет разрежения воздуха в камере, ограниченной задней поверхностью зеркала, оправой и герметизирующей манжетой. Боковая сторона зеркала разгружена на радиальные опоры через ряд витков эластичного цилиндрического шнура, охватывающих боковую поверхность зеркала поверх манжеты и позволяющих зеркалу свободно перемещаться в осевом направлении. Технический результат - уменьшение искажений поверхности зеркала при любом угле его наклона, положительном или отрицательном, и, как следствие, снижение требований к жесткости материала зеркала, а также обеспечение возможности использования технологической оправы, в которой осуществляется оптическая обработка зеркала, в качестве контрольной в оптическом цехе и рабочей оправы зеркала телескопа. 2 ил.

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к способам крепления и разгрузки оптических элементов, преимущественно крупногабаритных зеркал звездных и солнечных телескопов, сидеростатов и целостатов. Задача разгрузки - держать зеркало так, чтобы силы тяжести зеркала, давления ветра и ускорения телескопа не вызывали значительных изменений формы поверхности и положения зеркала. Положение зеркала определяется несколькими позиционирующими опорами (твердыми точками). Позиционирующие опоры и связанные с ними регуляторы положения несут очень небольшую часть нагрузки от веса зеркала. Значительную часть веса зеркала несет на себе «плавающая» разгрузка, с помощью которой снижают деформации поверхности зеркала. Опоры плавающей разгрузки имитируют плавучесть, как будто зеркало плавает в среде с такой же плотностью. Нагрузка на опоры от силы тяжести зеркала изменяется с наклоном зеркала (телескопа), так что плавающая поддержка должна разгружать зеркало в осевом и радиальном направлениях при любой его ориентации. Как правило, разгрузка зеркал, работающих рабочей поверхностью наверх (отрицательные углы наклона) и работающих рабочей поверхностью вниз (положительные углы наклона) производится в разных оправах.

Целью изобретения является уменьшение искажений поверхности зеркала при разгрузке в одной и той же оправе при любом угле его наклона, положительном или отрицательном, и результат этого - снижение требований к жесткости материала зеркала.

Известна механическая балансирная разгрузка Гребба [1], которая устроена следующим образом. Зеркало имеет шесть степеней свободы, поэтому достаточно его заднюю плоскую поверхность в оправе опереть через упорные тарелочки на три осевые шаровые опоры оправы и ограничить поперечные смещения еще тремя боковыми опорами. Но зеркало упруго, и в промежутках между опорами на задней поверхности оно прогнется и исказит свою форму.

Поэтому на каждый шар треугольной опоры устанавливают новый ярус - сбалансированный треугольник с тремя новыми упорными тарелочками. Получают девять оптимально расположенных опор. Более высокие ярусы опор для осевой разгрузки можно устанавливать в зависимости от диаметра, толщины и жесткости зеркала.

Примерно такая же балансирная система, но с опорой не на шар, а на цилиндрическую ось применяется для радиальной разгрузки по периметру зеркала.

Однако с изменением наклона телескопа давление зеркала на опоры изменяется и релаксация напряжений, присущих материалу зеркала, а также полученных им во время оптической обработки в горизонтальном положении, приводит к искажению формы поверхности зеркала. Радиальная разгрузка Гребба верхней части зеркала оказывается неэффективной.

Это приводит к прогибу зеркала при небольших углах наклона оси зеркала к горизонту. Кроме того, разгрузка Гребба может быть применена только для зеркал, расположенных рабочей стороной вверх.

Известна также механическая разгрузка на опорах системы Ласселя [2]. Разгрузка может быть применена для зеркал как рабочей поверхностью вниз, так и рабочей поверхностью наверх, но в разных оправах. Каждая опора этой системы представляет собой рычаг, шарнирно укрепленный в оправе зеркала. В осевой разгрузке один конец рычага подпирает (оттягивает) через разгрузочную тарелку тыльную часть зеркала, а на другом закреплен противовес. Зеркало может опираться на произвольное число опор. Радиальную (рычаг-противовес) разгрузку, в отличие от балансирной, можно осуществить по всему периметру зеркала. Для этого тарелочки разгрузочных устройств приклеивают к боковой цилиндрической поверхности зеркала. Боковая разгрузка, распределенная по косинусоидальному закону, будет работать эффективно - сжимать нижнюю часть зеркала и оттягивать верхнюю, уменьшая деформацию зеркала при горизонтальном расположении его оси.

Однако с изменением наклона зеркала происходит деформация его поверхности из-за релаксации напряжений в материале и из-за отличия условий разгрузки во время астрономических наблюдений от условий разгрузки при его обработке и контроля (другая технологическая оправа и контроль зеркала во время обработки с разгрузкой на ленте). Кроме того, боковые силы опоры на нижнюю часть зеркала и силы тяги на верхнюю часть должны быть направлены точно по прямой, проходящей через центр тяжести зеркала, что практически трудновыполнимо. Для радиального оттягивания зеркала и осевого оттягивания, которое необходимо, если зеркало располагается рабочей поверхностью вниз, требуется закреплять методом приклеивания металлические детали к зеркалу. Извлечение зеркала из оправы становится более сложным и более длительным. Оправа не может больше окружать зеркало, а принимает форму плато, причем масса зеркала с оправой как бы увеличивается, а жесткость уменьшается. Металлические элементы, приклеенные на край, опасно увеличивают ломкость зеркала, которая становится тем больше, чем тяжелее зеркало.

Перспективной является разгрузка крупногабаритных зеркал, сочетающая принцип механической разгрузки с пневматической. Наиболее близкой по сути решаемой задачи является система пневмомеханической разгрузки [3]. Для разгрузки зеркало располагается в оправе на механических опорах осевой разгрузки Гребба или на эластичных «пятаках». Полость между обратной стороной зеркала, оправы и боковой поверхностью зеркала герметизируется манжетой. Боковая поверхность зеркала опирается на радиальную разгрузку Гребба. Зеркало при горизонтальном расположении рабочей поверхностью вверх давит обратной стороной на опоры только своим весом. При изменении угла наклона производится отсос (не поддув!) воздуха из герметичного объема между обратной стороной зеркала, оправой и манжетой на такую величину, чтобы зеркало продолжало давить на опоры с силой, равной своему весу. И в вертикальном положении зеркала (ось его горизонтальна) избыточное внешнее (за счет отсоса) давление продолжает прижимать зеркало к осевым опорам с силой, равной его весу. При переходе к отрицательным углам наклона величина отсоса растет. В горизонтальном положении зеркала рабочей поверхностью вниз внешняя сила не только компенсирует вес зеркала (взвешенное состояние), но и осуществляет прижим зеркала к опорам с прежней силой веса. Таким образом, на рабочую поверхность зеркала должна действовать направленная по нормали к нему сила

где G - вес зеркала, α - угол его наклона, измеряемый между нормалью к рабочей поверхности зеркала и направлением в точку надира; 0≤α≤180°.

При такой разгрузке зеркало в оправе на телескопе находится в условиях, максимально приближенных к условиям в процессе оптической обработки, и деформации поверхности из-за релаксации напряжений не происходит. Однако при изменении давления в камере зеркало может изменить свое местоположение из-за трения в опорах Гребба осевой разгрузки или из-за изменения эластичности опор. При смещении зеркала его поверхность искажается из-за трения между боковой поверхностью зеркала и опорами радиальной разгрузки Гребба.

С целью уменьшения искажений поверхности зеркала при любом угле его наклона, положительном или отрицательном, в предлагаемом изобретении боковая сторона зеркала разгружается на радиальные опоры Гребба через ряд витков эластичного цилиндрического шнура, охватывающего витком к витку боковую поверхность зеркала поверх манжеты.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

Фиг.1 - система разгрузки зеркала оптического телескопа;

фиг.2 - иллюстрация эффективной работы системы разгрузки: интерферограмма и рассчитанные по ней искажения волнового фронта оптики Большого солнечного вакуумного телескопа Байкальской обсерватории.

На фигуре 1 в разрезе представлена система, в которой реализуется разгрузка зеркала телескопа.

Зеркало 1 в оправе 2 располагается на радиальной 3 и осевой 4 разгрузках. Манжета 5 герметизирует объем между задней поверхностью зеркала и оправой. Боковая поверхность зеркала прижимается составляющей силы его тяжести к радиальным опорам 3 через ряд витков эластичного цилиндрического шнура 6, охватывающих боковую поверхность зеркала поверх манжеты. Прижим зеркала к опорам осевой разгрузки 4 осуществляют путем уменьшения давления в герметичном объеме между задней поверхностью зеркала и оправой с помощью косинусного механизма 7 таким образом, что сила давления зеркала на осевые опоры всегда равна силе его тяжести.

Легкое скольжение зеркала в осевом направлении в той же оправе обеспечено витками эластичного шнура 6 между оправой и зеркалом. Витки скручиваются при скольжении зеркала. Дополнительно шнур уплотняет герметизирующую манжету 5, прикрепленную к зеркалу. Другой стороной манжета прикрепляется к оправе через кольцо 14, которое очень близко подходит к зеркалу, оставляя минимальный зазор для работы осевой разгрузки. Манжета при таком зазоре практически не деформирует зеркало через боковую поверхность из-за разности давлений воздуха в камере и снаружи. Давление в камере поддерживается ниже атмосферного на величину от 30 до 60 мм рт. ст. Система разгрузки может быть подключена к герметичной трубе вакуумного телескопа как к «источнику вакуума» или к отдельному насосу. В отличие от известных пневматических разгрузок система не нуждается в сжатом воздухе.

Условия осевой разгрузки мало изменяются при всех углах наклона. Поэтому можно снизить требования к жесткости зеркал и применять для изготовления зеркал напряженные и тонкие заготовки. Более того, наличие свилей в заготовках зеркала не приводит к отступлению от формы поверхности, заданной во время обработки. Зеркало, постоянно прижатое с силой веса к опорам, более устойчиво к вибрациям и ветровым нагрузкам, чем взвешенное. Благодаря прижиму зеркало при горизонтальном расположении его оптической оси не испытывает деформаций в верхней своей части и не нуждается в растягивающих рычажных устройствах. На фоне давления на опоры, равного весу заготовки, небольшие изменения давления воздуха в системе, вызванные возможными неточностями работы регулятора, практически не влияют на качество разгрузки.

На фигуре 2 представлены интерферограмма и рассчитанные по ней искажения волнового фронта оптики Большого солнечного вакуумного телескопа Байкальской обсерватории. Интерферограмма волнового фронта (в двойном ходе лучей) получена с искусственным источником света (длина волны λ=632.8 нанометра) в автоколлимационной схеме на телескопе при вакууме 10 мм рт. ст. В оптический тракт входят: объектив телескопа (Д=800 мм, F=40 м), входной и выходной плоскопараллельные иллюминаторы и плоское зеркало сидеростата диаметром 1 метр. Зеркало находится в оправе и направлено рабочей поверхностью вниз под углом α=38° вдоль полярной оси. Видимые на фотографии локальные искажения интерференционных полос связаны с зональной и локальной ретушью линз объектива. Круглое пятно - результат располировки вокруг воздушного пузыря в стекле на поверхности входного иллюминатора. Среднеквадратическое отклонение волнового фронта оптического тракта составляет 0.08λ, астигматизм - 0.05λ, кома - 0.37λ. Это свидетельствует о высоком качестве разгрузки зеркала в предложенной оправе.

При такой системе разгрузки технологическая оправа, в которой осуществляется оптическая обработка зеркала, впервые может быть без изменения использована как контрольная в оптическом цехе и как рабочая оправа зеркала будущего телескопа. В настоящее время стремятся к обеспечению условий полирования зеркал, соответствующих условиям работы их в обсерватории: разгрузка зеркала с полной имитацией разгрузки в оправе.

Источники информации

1. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. Москва, Наука, 1976, стр.385.

2. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. Москва, Наука, 1976, стр.389.

3. Авторское свидетельство СССР №1580310, Бюллетень Изобретений №27, 1990 г.

Система разгрузки зеркала оптического телескопа, содержащая механическую радиальную разгрузку и пневмомеханическую осевую разгрузку, при которой основание зеркала при любых углах наклона прижимается к осевым опорам с силой, равной весу зеркала, создаваемой за счет разрежения воздуха в камере, ограниченной задней поверхностью зеркала, оправой и герметизирующей манжетой, отличающаяся тем, что боковая сторона зеркала разгружена на радиальные опоры через ряд витков эластичного цилиндрического шнура, охватывающих боковую поверхность зеркала поверх манжеты и позволяющих зеркалу свободно перемещаться в осевом направлении.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области астрономического приборостроения и может быть использовано в серийных малогабаритных телескопах для крепления главных зеркал, имеющих центральное отверстие.

Оптическое устройство содержит объектив, визирную или прицельную сетку и окуляр, позволяющий наблюдать изображение, построенное объективом на поверхности, в которой располагается визирная или прицельная сетка, а также саму эту сетку.

Изобретение относится к оптическим устройствам, а именно к видеоустройствам для осмотра и измерительного контроля внутренних поверхностей трубчатых изделий, преимущественно статоров героторных винтовых гидравлических двигателей с винтовыми зубьями из эластомерного материала.

Изобретение относится к военной технике, а именно к обеспечению надежности действий человека-оператора, отрабатывающего в быстром темпе зрительные изображения боевой фоноцелевой обстановки и сетки прицельного устройства, наблюдаемые им одновременно через окуляр визирного канала пускового устройства (ПУ), в совокупности с его сенсомоторными действиями в процессе наведения на цель ПТРК в условиях витального стресса (угроза жизни в боевых условиях) (см.

Изобретение относится к способам управления, а более конкретно к способам слежения за подвижным объектом. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано, например, в наблюдательных и прицельных приборах с матрицами чувствительных элементов приемных устройств.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам с переменным фокусным расстоянием, и может использоваться в системах преобразования лазерного излучения приборов наведения.

Изобретение относится к геофизике, в частности к дистанционному зондированию Земли космическими средствами, и может быть использовано в национальных системах прогнозирования глобальных катастроф.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к инфракрасным (ИК) телескопическим (афокальным) системам со сменой увеличения и может быть использовано в оптических системах тепловизоров.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к инфракрасным (ИК) телескопическим (афокальным) системам со сменой увеличения для дальней ИК области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, в том числе содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы.
Изобретение относится к области устройств оптического контроля полостей, расположенных в труднодоступных местах технических устройств и природных тел, и может быть использовано на таможне, в криминалистике, техническом контроле и подобных областях техники и общества. Технический видеоэндоскоп содержит дистальную часть, в состав которой входят закрепленная на одном конце видеокамера с осветителем и устройство крепления натяжных тросов, и управляющую часть. Устройство крепления натяжных тросов представляет собой крестовину, к каждому из 4 концов которой прикреплен один из натяжных тросов, между крестовиной и осевым каналом корпуса последовательно размещены сферическая опора и указанная удлиненная цилиндрическая пружина. Видеокамера прикреплена к концу полугибкой секции посредством, по меньшей мере, двух упругих элементов, при этом упругие характеристики указанных элементов и создаваемое посредством тросов усилие натяжения обеспечивают поворот видеокамеры, по меньшей мере, на 90° в любую сторону относительно продольной оси полугибкой секции. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к стабилизации изображения наблюдаемых объектов в оптических приборах, работающих на подвижном основании, и предназначено для создания инерционных систем стабилизации изображения. Инерционная система стабилизации изображения оптических приборов содержит инерционную платформу, установленную на корпусе прибора с возможностью поворота относительно оси, пружину, связывающую подвижную платформу с корпусом, успокоитель колебаний на основе вихревых токов, компенсатор успокоителя, содержащий датчик угловой скорости, установленный на корпусе прибора и соединенный со входом усилителя сигнала датчика угловой скорости, моментный привод подвижной платформы, соединенный с выходом усилителя сигнала датчика угловой скорости и создающий момент сил, приложенный к подвижной платформе, пропорциональный по амплитуде угловой скорости корпуса прибора, но противоположно направленный. Компенсатор успокоителя установлен таким образом, что его коэффициент эффективности µ соотносится с коэффициентом эффективности успокоителя ρ как 0,1ρ≤µ≤ρ. В качестве моментного привода подвижной платформы применен соленоид с катушкой, установленной на корпусе, и сердечником соленоида, установленным на подвижной платформе. Технический результат заключается в повышении коэффициента демпфирования колебаний корпуса при одновременном подавлении раскачивания подвижной платформы на резонансной частоте. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Оптическая система содержит объектив, бликующий элемент с отражающей поверхностью, расположенной в окрестности фокальной поверхности объектива, и апертурную маску, содержащую область, пропускающую оптическое излучение без искажений волнового фронта и выполненную в виде сегмента, большего, чем половина круга, и не пропускающую излучение область. Граница этой области в виде хорды, замыкающей сегмент, отстоит от центра апертуры объектива на расстояние d, выбираемое из условия d=αF, где F - фокусное расстояние объектива системы, м; α - максимальный угол наклона падающего на апертуру объектива параллельного пучка световых лучей к плоскости, проходящей через оптическую ось системы параллельно хорде, рад, при котором на не пропускающую излучение область маски попадают все отраженные от бликующего элемента лучи этого пучка независимо от стороны его наклона. Технический результат - расширение области поля зрения, в которой может находиться источник излучения, не вызывая существенного световозвращения в ту сторону от плоскости, проходящей через оптическую ось системы параллельно краю не пропускающей оптическое излучение области апертурной маски, где располагается не пропускающая излучение область маски. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Оптическое устройство включает объектив, бликующий элемент с отражающей поверхностью, расположенной в окрестности фокальной поверхности объектива, и адаптивную апертурную маску, содержащую области, пропускающие оптическое излучение без искажений волнового фронта и выполненные в виде одного или нескольких круговых секторов с суммарным углом при вершинах, равным 180°, и симметричные им относительно центра апертуры объектива области, не пропускающие излучение. Апертурная маска снабжена средством поворота этих областей вокруг центра апертуры объектива и изменения их числа с одновременным изменением величины углов при вершинах секторов и с сохранением симметрии в зависимости от взаимного расположения оптической оси устройства и прямой линии, соединяющей центры апертур устройства и источника зондирующего оптического излучения, используемого для обнаружения устройства. Технический результат - обеспечение высокоэффективной блокировки отраженных бликующим элементом зондирующих лучей независимо от расположения зондирующего источника. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа изготовления зеркала для рентгеновского телескопа. Способ включает в себя нанесение методом гальванопластики на заготовку из алюминиевого сплава слоя из никелевого сплава и доводку рабочей поверхности заготовки путем ее полировки до требуемой шероховатости в несколько этапов на шлифовальном стенде с применением абразивного состава. Дисперсность абразивного состава уменьшают на каждом последующем этапе, а на последнем этапе в качестве абразивного состава используют смолу. После полировки производят снятие оболочки из никелевого сплава и наносят на внутреннюю поверхность оболочки отражающий слой. Технический результат заключается в возможности обеспечения требуемой гладкости рабочей поверхности зеркальной оболочки без выполнения жестких требований к точности выставления полировального инструмента. 1 ил.

Телескоп может быть использован в оптико-электронных космических телескопах для дистанционного зондирования Земли. Телескоп содержит объектив, установленные в фокальной плоскости оптико-электронные приемники изображения и спектрометр, содержащий входную щель, установленную в фокальной плоскости объектива, и фокусирующую диспергирующую систему. Спектрометр дополнен второй входной щелью, расположенной параллельно основной щели с высотами Т. Фокусирующая диспергирующая система выполнена в виде n мини-фокусирующих диспергирующих систем, установленных вдоль щелей в шахматном порядке с шагом, равным T 2 n . Каждая мини-фокусирующая диспергирующая система может содержать линзу-коллектив, установленный вблизи щели, и вогнутую дифракционную решетку. Объектив телескопа может быть выполнен из вогнутого главного зеркала, выпуклого вторичного зеркала и предфокального линзового корректора полевых аберраций. Технический результат - увеличение полосы захвата космического телескопа при малых размерах изображений пикселей ОЭПов на поверхности Земли и малых габаритах гиперспектральной аппаратуры. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 прил.

Афокальная насадка состоит из первого компонента в виде одиночной положительной линзы (1) и второго компонента в виде одиночной отрицательной линзы (4). В первый компонент введен афокальный коррекционный компонент однократного увеличения, расположенный между положительной (1) и отрицательной (4) линзами и выполненный в виде последовательно расположенных вогнуто-выпуклого отрицательного мениска (2) и выпукло-вогнутого положительного мениска (3) с равными оптическими силами, касающимися друг с другом выпуклыми поверхностями. Фокусные расстояния менисков (2) и (3) равны фокусному расстоянию положительной линзы (1) первого компонента: − f 2 ' = f 3 ' = f 1 ' . Расстояние между положительной линзой (1) и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) равно половине фокусного расстояния положительной линзы (1): d 1,2 = 1 2 f 1 ' , расстояние между менисками (2) и (3) равно: d2,3=0. Фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно: f 4 ' = − f 1 ' Г , и она удалена от точки касания поверхностей менисков (2) и (3) на расстояние: d 3,4 = f 1 ' 2 Г ( Г − 2 ) , где Г - увеличение афокальной насадки. Технический результат - повышение разрешения в пространстве объектов за счет увеличения углового увеличения. 4 ил., 3 табл.
Наверх