Принципы построения оптических систем термостабилизированных телескопов дистанционного зондирования Земли

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, 2007 г.

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 '= 15 700 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 мкмдля ВЗ: = 0,004 мкмЖоп =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.