Технология расчёта коэффициентов  затенения зеркала большого космического

радиотелескопа

В.И. Буякас,

вед.н.с., д.ф.-м.н., bujakas@yandex.ru    
ФИАН им. П.Н.Ледева РАН, г. Москва

В рамках геометрической оптики, предлагается технология определения коэффициентов затенения главного зеркала большого телескопа, основанная на использовании возможностей пакета Solid Works. Развиваемый подход используется для расчета коэффициента затенения плоской волны и полного коэффициента затенения 10-метрового зеркала космического телескопа проекта “Радиоастрон”. Работа выполнена при поддержке фонда РФФИ (код проекта 10-08-01218).

 

A new technology of aperture shadowing calculation for large space radio telescope mirror is proposed in the framework of geometrical optics. The technology exploits the possibilities of Solid Works package and is applied for the aperture shadowing calculation of a plane wave and for the total aperture shadowing of the 10-meter mirror of the space telescope "Radioastron".

 

В настоящее время в ряде стран ведутся работы по созданию космических телескопов нового поколения [1-7].  Основные усилия разработчиков сосредоточены на создании инструментов, обеспечивающих максимально высокую чувствительность и (или) угловое разрешение при астрономических наблюдениях. Наряду с размером главного зеркала, чувствительность телескопа зависит от точности отражающей поверхности, потерь в приемном тракте и других факторов. Существенное влияние на чувствительность инструмента оказывают элементы конструкции, которые приходится размещать в окрестности фокуса главного зеркала. Для инструментов, выполненных по многозеркальной схеме, это, прежде всего, вторичное зеркало и поддерживающие его элементы конструкции; для телескопов, использующих однозеркальную схему, это облучатели, блок приемной аппаратуры, поддерживающие структуры. Оказываясь на пути падающего потока излучения, эти элементы создают затенение и уменьшают поток энергии, поступающий на приемник. Определение коэффициентов затенения главного зеркала – важный этап проектирования радиотелескопа.

Ранее предлагавшиеся методы определения затенения требовали либо аналитического представления объектов, затеняющих рефлектор [8], либо давали инженерную оценку коэффициентов затенения [9]. Рассматриваемая в докладе технология расчета, основанная на использовании возможностей пакета программ SolidWorks, приводит к точному конструктивному методу решения задачи затенения и не требует трудоемких аналитических представлений [10].

Рассмотрим предлагаемую технологию на примере расчета коэффициентов затенения зеркала космического телескопа проекта «Радиоастрон».

рис.1 Зеркало телескопа проекта “Радиоастрон” в раскрытом состоянии. 1 _ фокальный контейнер,

2 _ радиатор фокального контейнера, 3 _ штанги, удерживающие фокальный контейнер над

поверхностью зеркала, 4 _ поперечные тяги, соединяющие штанги, 5 _ лепестки,

6 _ центральное зеркало

Расчёт затенения выполняется в следующей последовательности:

1.   В пакете SolidWorks строится виртуальная модель зеркала и элементов конструкции, создающих затенение. На рисунках 2-5 показаны этапы построения виртуальной модели – построение главного зеркала, фокального контейнера, опор, удерживающие фокальный контейнер над поверхностью зеркала.

Потери от затенения естественным образом разбиваются на две составляющие – потери в плоской волне на пути от плоскости апертуры до поверхности рефлектора, и потери в отраженной сферической волне на пути от поверхности зеркала до фокуса, где расположен облучатель.  Пусть K1 - коэффициент затенения плоской волны, K2 -коэффициент затенения сферической волны, KΣ - полный коэффициент затенения.

2.   Для определения потерь в плоской волне

a.   в плоскости апертуры строится диск, диаметр которого равен диаметру зеркало (рис.6)  и вычисляется его площадь Sa,

b.   все объекты, создающие затенение, проектируются методом ортогональной проекции на плоскость диска; затененная часть диска отсекается (рис.7)., измеряется площадь Sa1 незатененной части диска

c.   отношение (Sa − Sa1)/ Sa  определяет коэффициент затенения плоской волны.

На рис.1 представлен телескоп проекта «Радиоастрон» во время наземных испытаний. Из рисунка видно, что основными элементами конструкции, создающими затенения, являются: фокальный контейнер, радиатор фокального контейнера, штанги, удерживающие фокальный контейнер над поверхностью зеркала.

 

       рис. 2 Построение образующей параболического                    рис. 3 Построение главного зеркала  вращением

               зеркала и оси вращения                                                      образующей  вокруг оси параболоида

         

             рис. 4 Размещение штанг, удерживающих                                рис. 5 Размещение фокального  контейнера

                                                          фокальный контейнер

       

           рис. 6 Создание апертурного диска и определение                   рис. 7 Высечение тени плоской волны из апертурного

                                           его площади                                                    диска и вычисление площади незатененной части диска

Из рис. 6 и 7 имеем Sa1 = 7604,58 условных единиц и Sa = 7853,98 условных единиц. Отсюда находим коэффициент затенения зеркала проекта “Радиоастрон” по плоской волне:

К1 = (Sa − Sa1)/ Sa = 0,0317.

Таким образом, в плоской волне поглощается 3,17% падающего излучения.

3.   Определение полного коэффициента затенения осуществляется в два этапа. На первом этапе тени от плоской и сферической волн проектируются на поверхность рефлектора.  При этом тень от плоской волны находится ортогональным проектированием объектов, создающих затенение, вдоль фокальной оси. Для определения затенения сферической волны из фокуса центральной проекцией на поверхность рефлектора проектируются объекты, расположенные на пути сферической волны: штанги и поперечные тяги. Затененная часть рефлектора высекается (рис.8.).

На втором этапе затененная часть рефлектора проектируется на плоскость апертурного диска (рис.9). Если SaΣ  -  площадь общего затенения апертурного диска, то

КΣ  = SaΣ / Sa.

 

 

  


                                   рис. 8 Незатенённая часть рефлектора                                        рис. 9. Проекция общего затенения на плоскость

               (отсечены тени плоской и сферической волн)                       апертуры и вычисление полного коэффициента  Затенения

Из рис. 6  для общей площади апертурного диска имеем: Sa = 7853,98 условных единиц. Из рис. 9 находим общую площадь затененной части апертуры: SaΣ = 847,45 условных единиц. Вычисляем полный коэффициент затенения

                                 

 Таким образом, общие потери приемного тракта за счёт затенения составляют 10,8%.

Литература

1.   http://www.asc.rssi.ru/radioastron

2.   http://www.jwst.nasa.gov

3.   http://safir.jpl.nasa.gov/whatIs.shtml

4.   http://www.asc.rssi.ru/millimetron

5.   Kardashev N.S., Slysh V.I. The Radioastron project // Proc. of the Int. Astronomical Union Symp. N 129 on the Impact of VLBI on Astrophysics and Geophysics. Cambridge: Kluwer, 1987.

6.   Arkhipov M.Yu., Baryshev A.M., Kardashev N.S., et al. Deployable antennas for space radio telescope: radioastron  and millimetron missions // Proc. of the 30th ESA Antenna Workshop. Noordwijk, Netherlands, 2008.

7.   Кардашев Н.С., Андреянов В.В., Буякас В.И. и др. Проект “Миллиметрон” // Тр. Физического ин-та им. П.Н. Лебедева. 2000. 228. 112–128.

8.   Саяпин С.Н., Соколов С.П. и др. Проектирование опорной системы трансформируемых антенн лепесткового типа на примере антенны космического радиотелескопа “Радиоастрон”. Препринт Пр-1617 ИКИ РАН. М., 1989.

9.   Федорчук С.Д. Определение оптического затенения рефлектора элементами конструкции КРТ по результатам макетирования. Научно-техн. отчет АМ1.50.00.21 Астрокосмического Центра ФИАН РАН. М., 2007.

10. Буякас В.И. Новая технология расчета затенения зеркала большого космического радиотелескпа, Вычислительные методы и программирование, т.9, 2008.