Космические телескопы

Космические телескопы

Стремление устранить влияние атмосферы на телескопические наблюдения овладело астрономами еще в XVII веке, как только усовершенствованные телескопы достигли увеличений 100 – 200 крат. При любой смене погоды ветровая турбулентность размазывает крохотный диск планеты в колышущийся флаг, о деталях на котором приходится забыть до следующей ночи. При наблюдениях слабых объектов рассеянный свет фонарей и окон, совершенно незаметный глазом, через телескоп может снизить контраст изображения практически до нуля. В последующие два столетия крупные телескопы стали прятать в специальный купол, оставляя только подвижные створки напротив объектива. Купол поворачивается от руки или с помощью часового механизма, но полностью проблему не устраняет – выбор места с хорошим, как говорят, астроклиматом, и поныне остается актуальной задачей при проектировании новой обсерватории.

Другой проблемой, возникшей с открытием невидимого излучения – сначала инфракрасного и ультрафиолетового, затем радио-, рентгеновского и микроволнового – стало пропускание земной атмосферой электромагнитного излучения только в узком спектральном диапазоне. Так например, рентгеновские и жесткие ультрафиолетовые наблюдения принципиально невозможны, для инфракрасных есть узкое “окно” принимаемых длин волн, микроволновые также по большей части невозможны.

И ко всему прочему, для изучения к примеру, рельефа какой-либо планеты Солнечной системы или её спутника даже теоретически наземный телескоп должен обладать колоссальными размерами в сотни и тысячи метров, к которым современная технология не подошла даже в проектах. Некоторые объекты наблюдений – например обратные стороны Луны и Меркурия – с Земли недоступны принципиально вследствие кинематики их движения.

Все эти факторы и привели к тому, что в современной астрономии лидирующую роль стали играть космические телескопы. В большинстве случаев это автоматические устройства, размещенные на беспилотных аппаратах. Управление космическими телескопами осуществляется с помощью телеметрии во время сеансов связи. Воздействие вакуума и резкой смены температур при поворотах самого телескопа или его носителя вынуждает применять в конструкции сплавы со сверхнизким коэффициентом температурного расширения. Тем не менее, оптические детали, как и в наземных телескопах, выполняются из стекла, кварца или ситалла с нанесением металлизированных или диэлектрических покрытий. К покрытиям, контактирующим с вакуумом предъявляется свойство низкой сублимируемости – испарения частиц в твердом состоянии.

Существенным фактором, влияющим на живучесть всего аппарата является метеоритная опасность. Риск поражения зависит от размера метеорной частицы, площади аппарата или экспонируемой детали и времени экспонирования. Эту величину перед проектированием телескопа рассчитывают статистически с использованием математического аппарата теории вероятностей и используют в целях оптимизации всей конструкции.

Исторически известно попадание метеорита в иллюминатор орбитальной станции “Салют”, оставившее выемку глубиной в половину толщины его двойного стекла и взаимное столкновение ИСЗ серий “Космос” и “Иридиум”, приведшее к их полному разрушению. Часть досрочных отказов спутников всех типов, к которым относятся и оборудованные телескопами советские АМС “Фобос” и “Деймос”, направлявшиеся к Марсу, также, по-видимому, обусловлены попаданием в них метеоритов. Более мелкие повреждения вследствие метеоритной эрозии фиксировались начиная с третьего искусственного спутника Земли.

Для уменьшения вредного влияния метеорных частиц на оптику, последнюю в отсутствие наблюдений закрывают крышкой.

Все вращающиеся детали – оси электродвигателей, гироскопы систем ориентации, ось крышки телескопа и т.п. – должны находиться под атмосферным давлением во избежание интенсивного выкипания смазки в вакуум.

Невесомость – точнее, условия микрогравитации, накладывает дополнительные ограничения на механику телескопа. Силовое замыкание кинематической схемы главного зеркала за счет силы тяжести невозможно, поэтому зеркало должно лежать на системе разгрузки в подпружиненном состоянии. В схему контроля оптики перед запуском должны вноситься соответствующие поправки.

Кроме того, отсутствие силы тяжести кроме притяжения самого спутника скоро приводит к накоплению вокруг него своеобразной “атмосферы” из испарившейся смазки, частиц сублимированного металла, и особенно – выхлопа из двигателей системы коррекции, если таковые имеются. При значительной концентрации “атмосфера” вполне способна сконденсироваться на теневой стороне аппарата где как правило и размещен телескоп и выпасть в виде “росы” на линзах и зеркалах. Для предотвращения этого эффекта применяют искусственный подогрев оптики с помощью теплоносителя, циркулирующего по трубкам между солнечной и теневой сторонами спутника.

За немногими исключениями апертура космических телескопов не превосходит 1 – 2 метра, что связано с транспортными характеристиками. Размещение телескопа в отсеке ракеты-носителя, имеющем ограниченное поперечное сечение, исключает выведение на орбиту произвольно больших монолитных деталей.

Еще более жесткое ограничение наличествует по общей массе телескопа, от которой зависит класс выводящей его в космос ракеты-носителя. В большинстве случаев космические телескопы устанавливаются на тяжелом спутнике массой от нескольких до десятков тонн или на автоматической межпланетной станции.

Для ориентации космического телескопа применяются гиродины – устройства на основе раскручиваемого электродвигателем массивного маховика, создающие гироскопический эффект. Включение гиродина на свободно летящем спутнике приводит к развороту самого спутника вследствие закона сохранения импульса. Тем не менее, добиться точности, необходимой для удержания объекта в поле зрения трубы во время длительной экспозиции с помощью только системы позиционирования спутника невозможно и поэтому применяют дополнительную коррекцию с помощью соответствующей подвижки оптических элементов.

В двухзеркальном телескопе коррекцию выполняют обычно поворотом вторичного зеркала, в линзовых системах может смещаться сам объектив. Интересно, что на разведывательных спутниках, явившихся прообразом знаменитого “Хаббла”, возможен непрерывный поворот всего аппарата на очень большой угол.

Система коррекции, применяемая при фотосъёмке и спектральных исследованиях, использует т.н. гидирование по звезде. Сущность метода состоит в том, что параллельно или с регулируемым смещением относительно оптической оси основного телескопа устанавливается небольшой дополнительный, предназначенный для точного наведения, или, как говорят в астрономии, гидирования. Свет, собираемый его объективом, падает на четырехгранную зеркальную пирамидку, обработанную с высокой степенью точности. После отражения от каждой грани свет попадает на вход одного из четырех фотоэлектронных умножителей – электровакуумных устройств с внешним фотоэффектом, обладающих способностью усиливать чрезвычайно слабые световые потоки и преобразовывать их в постоянный электрический ток. Фотоумножители, в свою очередь, служат генератором сигнала для нескольких каскадов усиления, нагрузкой которых являются пьезоэлементы, двигающие объектив и связанное с ним вторичное зеркало основного телескопа.

Когда изображение звезды попадает точно в центр пирамидки, ток в схеме равен нулю и смещения оптики не происходит. При несимметричном освещении граней фотоумножители выдают разный сигнал, который, подаваясь на вход усилителей, приводит к повороту оптики до тех пор, пока все четыре грани не станут освещены одинаково.

Для питания электроники и электромеханики телескопов, размещенных на околоземной и ближних гелиоцентрических орбитах применяются солнечные батареи. В ряде спутников (“Астрон”, СССР), применялся привод гироскопов с помощью жидкого азота. На автоматических межпланетных станциях, фотографирующих планеты-гиганты, питание бортовой автоматики осуществляется от ядерной батареи, использующей ток бета-распада радиоактивного элемента. Солнце на таких расстояниях дает слишком мало света, чтобы можно было обойтись солнечными батареями разумной площади и веса.

Наконец, есть и спутники (серия “Космос”, СССР), несущие на борту полноценный ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем. Пока они применяются только в системах активной радиоэлектронной разведки, но существует много проектов использования такого источника энергии для питания будущих космических телескопов.

По своему назначению космические телескопы можно разделить на фотографические, спектральные, камеры межпланетных станций, камеры обзоров всего неба, камеры для поиска экзопланет, космические солнечные телескопы. В зависимости от диапазона принимаемого излучения телескопы могут быть рентгеновские, ультрафиолетовые, видимого диапазона, инфракрасные и микроволновые.

Как и в наземной астрономии, большинство космических телескопов в той или иной мере – фотографические. Без сомнения, самым известным из них является орбитальный телескоп имени Хаббла или просто “Хаббл”, выведенный на орбиту американским шаттлом “Дискавери” в 1990 году и работающий до сих пор. Его апертура 2,5 метра позволила впервые в истории получить карту поверхности Плутона, заснять диск звезды Бетельгейзе, а также получить множество прекрасных фотографий галактик и туманностей, украшающих любой посвященный космосу сайт. Но строили “Хаббл” не за этим. Основной задачей аппарата было определение постоянной Хаббла – величины, определяющей в конечном итоге, с какой скоростью будут отдаляться в результате расширения Вселенной два объекта, удаленные в космосе на фиксированное расстояние. Через постоянную Хаббла может быть определен радиус видимой части Метагалактики, а также её возраст, который, согласно результатам работы этого телескопа, теперь оценивается в 13,7 миллиардов лет.

Автоматические межпланетные станции оснащаются намного меньшими телескопами чем “Хаббл”, но вследствие своей узкой специализации позволяют получить более впечатляющие результаты. Известными АМС были аппараты серий “Пионер” и “Вояджер”, осуществившие фотосъемку с близкого расстояния Юпитера, Сатурна и Урана и достигшие к настоящему времени границ Солнечной систему. Связь с некоторыми из них поддерживается до сих пор. Кроме них можно отметить аппараты “Галилео”, работавший в верхних слоях атмосферы Юпитера, “Гюйгенс”, осуществивший мягкую посадку на спутник Сатурна Титан, марсоходы “Спирит”, “Феникс” и “Оппортьюнити”, несколько лет проработавшие на поверхности Марса, “Венера” различных серий, осуществившие мягкую посадку на Венеру при температуре свыше 500 градусов, “Мессенджер”, в 2010 году передавший на Землю фотографические панорамы поверхности Меркурия.

Обзорные телескопы были установлены на спутниках серии “ Hypparcos”, фотосъемка с которых позволила составить высокоточные звездные каталоги.

К числу миссий, предназначенных специально для поиска экзопланет, относится “Кеплер” – спутник на высокой геоцентрической орбите, несущий 90-см камеру Шмидта.

Рентгеновские космические телескопы являются довольно экзотическими устройствами, использующими отражение рентгеновских квантов от сегментов параболоидов и гиперболоидов вращения, максимальный угол которых с оптической осью не превышает нескольких градусов. Подобные схемы, получившие названия телескопов Вольтера, создают сильное искажение точечных источников, но свободны от аберрации комы, благодаря чему 30-см рентгеновский телескоп по разрешающей способности эквивалентен 10- 20 – мм оптическому. Тем не менее, не принимаемый на Земле спектральный диапазон позволяет получить уникальные изображения активных ядер галактик, квазаров и гамма-всплесков – самых мощных источников энерговыделения во Вселенной, четко выделяя их на фоне всех остальных.

Инфракрасные и ультрафиолетовые космические телескопы в общих чертах подобны космическим телескопам видимого диапазона, от которых первые отличаются необходимостью активного охлаждения трубы и оптики, а вторые – требованиями к преломляющим деталям, которые должны пропускать ультрафиолетовое излучение.


Статьи по теме:

  1. Виды телескопов

    Виды телескопов К настоящему времени развитие оптики и астрономии привело к разнообразию и применяемых систем телескопов. Виды телескопов различают по назначению, по применяемой оптической схеме и по устройству монтировки. По назначению телескопы бывают визуальные и фотографические, последние подразделяются на инфракрасные, телескопы видимого диапазона, ультрафиолетовые и рентгеновские.

  2. Телескопы Meade

    Телескопы Meade Фирма Meade Instruments Сorporation, в дальнейшем Meade, была основана в США в 1972 году Джоном Дибелем как дистрибьютор японской оптической фирмы Towa Optical Manufacturing Company, специализировавшейся на небольших рефракторах и принадлежностях к ним.

  3. Как сделать телескоп

    Как сделать телескоп Это на самом деле возможно. Телескопы, построенные любителями, к настоящему времени достигают более метра в апертуре. Нелишним будет напомнить, что великие телескопостроители прошлого сэр Уильям Гершель и лорд Росс самостоятельно изготавливали крупные оптические зеркала, не будучи профессиональными оптиками.

Социальные закладки:

Комментарии к этой заметке больше не принимаются.



Рейтинг популярности - на эти заметки чаще всего ссылаются:

WalkSpace.Ru | Астрооборудование