ОПТИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП
OPTICAL TELESCOPE

Настоящее изобретение относится к астрономии и может быть использовано для обеспечения надежной эксплуатации оптических телескопов при проведении долговременных исследований астрономических объектов, в том числе и Земли с поверхности Луны.
Для успешного решения важнейших и актуальных проблем астрономии, в том числе и исследования Земли из космоса наиболее перспективным в космическом пространстве местом, обеспечивающим долговременные более надежные и однородные высокоточные измерения, является видимая поверхность Луны (см. Абдусаматов Х.И. Лунная обсерватория // Программа фундаментальных исследований Президиума РАН №9 «Экспериментальные и теоретические исследования объектов Солнечной системы и планетных систем звезд». Отчет за 2015 г. Москва. 2015. ИКИ РАН. С. 312-321. http://pr9.cosmos.ru/sites/pr9.cosmos.ru/files/report2015/9-Gerasimov.pdf). Ее твердая поверхность и медленное незначительное колебание при движении вокруг Земли делают поверхность Луны наилучшей идеальной стабильной платформой в космосе для установки оптических телескопов для проведения наблюдений астрономических объектов, в том числе и Земли. Однако Луна имеет чрезвычайно разреженную экзосферу плотностью около одной 25-триллионной от земной атмосферы на уровне моря, состоящую в основном только из мельчайших разреженных частиц лунной пыли, поднятых с поверхности в результате различных процессов и явлений.
Известно, что важным механизмом образования пыли в высоких слоях лунной экзосферы является бомбардировка поверхности Луны метеороидами, которые врезаются в лунный грунт на большой скорости, выбрасывая в космос с соответствующими (большими) скоростями значительное количество частиц пыли. Частицы лунной пыли, выброшенные с лунной поверхности на большие высоты экзосферы Луны, в условиях слабого притяжения в течение долгого времени будут путешествовать в пространстве. Однако со временем под воздействием силы притяжения большая часть частиц пыли может опуститься на поверхность Луны вертикально. Опускающиеся в течение длительного периода наблюдений из верхних слоев экзосферы эти весьма редкие частицы пыли потенциально могут повлиять на оптические характеристики зеркал и долговременность успешной работы оптических систем (оптических телескопов), действующих на лунной поверхности. Для обеспечения защиты зеркал оптического телескопа от возможного попадания опускающихся вертикально весьма редких частиц лунной пыли при проведении долговременных наблюдений астрономических объектов, в том числе и Земли с поверхности Луны, ранее был разработан оптический телескоп с выдвижным защитным козырьком (см. патент RU 155044 U1, МПК G02B 23/16, G02В 23/00, опубл. 20.09.2015).
В то же время на освещенной поверхности Луны под действием солнечного ультрафиолетового (УФ) излучения происходит выбивание из лунной поверхности определенного количества отрицательно заряженных электронов, в результате чего поверхность будет иметь локальные участки, заряженные положительно, а над поверхностью формируется слой фотоэлектронов. В результате взаимодействия с электромагнитным излучением Солнца определенное количество пылевых частиц таким же образом заряжаются положительно и отталкиваются от одноименных электрических полей локальных участков поверхности, что ведет к подъему положительно заряженных микронных пылевых частиц на высоты порядка нескольких сот миллиметров над поверхностью главным образом в области лунного терминатора (см. Попель С.И. Свойства, динамика и проявления лунной пыли // Программа фундаментальных исследований Президиума РАН №9 «Экспериментальные и теоретические исследования объектов Солнечной системы и планетных систем звезд». Отчет за 2015 г. Москва. 2015. ИКИ РАН. С. 262-270. http://pr9.cosmos.ru/sites/pr9.cosmos.ru/files/report2015/8 Rihlova-Zaharov.pdf). На определенных участках не освещенной Солнцем поверхности Луны электроны, которые входят в состав потока солнечного ветра, врезаются в поверхность и захватываются ею, придавая локальным участкам поверхности и отдельным пылевым частицам отрицательный заряд. Отрицательно заряженные пылевые частицы, отталкиваясь от одноименных электрических полей, приподнимаются над поверхностью. Основными составляющими плазмы в приповерхностном слое освещенной части Луны являются фотоэлектроны и положительно заряженные пылевые частицы, тогда как в приповерхностном слое темной части основной вклад вносят электроны солнечного ветра при отсутствии фотоэлектронов, а также отрицательно заряженные пылевые частицы. Пыль в самых нижних приповерхностных слоях лунной экзосферы является составной частью плазменно-пылевой системы. В приповерхностном слое концентрации электронов и пылевых частиц над освещенной частью благодаря непрерывным воздействиям УФ солнечного излучения всегда значительно (на порядки) выше, чем их концентрации над темной частью Луны. Возникший существенный скачок концентрации пыли в приповерхностном слое в области терминатора жестко поддерживается внешними факторами, в частности непрерывным воздействием солнечного излучения на освещенную часть Луны. Следовательно, основные первичные источники лунной пыли в экзосфере располагаются на поверхности Луны, с которой она поднимается:
- на значительную высоту до ста километров при ударах высокоскоростных метеороидов о лунной поверхности,
- на высоты порядка нескольких сот миллиметров положительно заряженных микронных пылевых частиц главным образом в области лунного терминатора благодаря возникающим одноименным электрическим полям на локальных участках поверхности в дневное время.
При этом в настоящее время имеются непосредственные экспериментальные данные об отсутствии влияния лунной пыли на оптические элементы телескопа в течение 18-месячной его эксплуатации на поверхности Луны даже в дневное время. Активное функционирование китайского Лунного ультрафиолетового телескопа LUT (Lunar-based Ultraviolet Telescope), запущенного 2 декабря 2013 года, в дневное время на поверхности Луны показывает достаточно высокую стабильность его фотометрических характеристик и отсутствие какого-либо изменения в их показаниях в течение 18-месячного лунного эксперимента (Wang J., Meng Х.М., Han X.H., Cai H.В., Cao L, Deng J.S., Qiu Y.L., Wang S., Wei J.Y., Hu J.Y. 18-Months Operation of Lunar-based Ultraviolet Telescope: A Highly Stable Photometric Performance // 2015 arXiv: 1510.01435vl [astro-ph.IM]; Wang J., Cao L, Meng X.M., Cai H.B., Deng J.S., Han X.H., Qiu Y.L., Wang F., Wang S., Wen W.B., Wu C, Wei J.Y., Hu J.Y. Photometric Calibration on Lunar-based Ultraviolet Telescope for Its First Six Months of Operation on Lunar Surface // 2014 arXiv: 1412.3870vl [astro-ph.IM]). Сохранение высокостабильных фотометрических характеристик LUT в течение 18-месячной его успешной эксплуатации непосредственно на лунной поверхности в дневное время позволяет утверждать, что его зеркала не пострадали благодаря отсутствию опускавшихся на них частиц лунной пыли за этот период. Отсутствие частиц пыли, осевших на зеркалах телескопа, и сохранение высокой эффективности отражательных способностей зеркал LUT в течение 1.5 лет активной эксплуатации даже в лунное дневное время указывают на пренебрежительно низкую плотность любых частиц пыли на высоте установки LUT над поверхностью Луны. Тем не менее, при проведении долговременных прецизионных наблюдений астрономических объектов с помощью оптических телескопов на поверхности естественного спутника Земли необходимо предусмотреть защиту (страховку) их зеркал также и от заряженных частиц пыли.
Известный оптический телескоп (см. патент RU 155044 U1, МПК G02B 23/16, G02В 23/00, опубл. 20.09.2015) предусматривает механический способ защиты оптических элементов от вертикально опускающихся частиц лунной пыли с использованием выдвижного защитного козырька над входным зрачком. Однако частицы пыли в приповерхностных слоях Луны имеют электрический заряд, и их отталкивание от освещенной Солнцем поверхности контролируется, главным образом, электрическими полями в случае достаточно мелких частичек. Поэтому использование выдвижного козырька для защиты оптических элементов телескопа от вертикально опускающихся частиц лунной пыли необходимо, но недостаточно, поскольку он не сможет защитить зеркала от положительно заряженных микронных пылевых частиц, парящих над поверхностью Луны в дневное время на высоте порядка нескольких сот миллиметров.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание такого оптического телескопа, устанавливаемого на поверхности Луны, который бы наряду с системой механической защиты его оптических элементов от опускающихся вертикально частиц лунной пыли имел бы также и одновременную электрическую защиту его оптических элементов от положительно заряженных частиц лунной пыли, парящих в приповерхностном слое Луны в дневное время на высоте порядка нескольких сот миллиметров. Таким образом, достигая технического результата, заключающегося в повышении надежности защиты оптических элементов упомянутого оптического телескопа также и от заряженных частиц лунной пыли.
Поставленная задача решена за счет того, что оптический телескоп, включающий герметичный корпус в виде трубы с размещенной в нем оптической системой, включающей зеркала, и выдвижной козырек, размещенный на корпусе над входным зрачком оптического телескопа параллельно его оптической оси, согласно настоящему изобретению, установлен в центральной зоне чаши, выполненной в виде перевернутого усеченного конуса, так, чтобы нижний край входного зрачка оптического телескопа в горизонтальном положении трубы находился выше верхнего уровня данной чаши, а торцы трубы без козырька в вертикальной проекции не достигали верхней внутренней поверхности конуса, причем чаша выполнена с возможностью расположения ее над ровной площадкой поверхности Луны так, что ее верхний уровень расположен на высоте не менее 1000 мм над поверхностью, при этом внешняя поверхность чаши, внешняя поверхность входного зрачка и поверхность зеркал оптической системы покрыты электроизолированными электропроводящими оболочками, подключенными к блоку электропитания, расположенному в чаше, и имеющими электрический заряд с заданной частотой смены полярности в зависимости от смены дня и ночи на данной поверхности Луны.
Таким образом, заявляемое изобретение всей совокупностью существенных признаков позволяет повысить надежность оптического телескопа за счет одновременного обеспечения защиты его оптических элементов не только от опускающихся вертикально частиц лунной пыли, но и от положительно заряженных частиц лунной пыли, парящих в приповерхностном слое Луны в дневное время на высоте порядка нескольких сот миллиметров. Указанный результат достигается благодаря установке оптического телескопа в центральной зоне чаши, выполненной в виде перевернутого усеченного конуса, верхний уровень которой расположен на высоте не менее 1000 мм над поверхностью Луны. Это позволяет оградить оптические элементы телескопа от положительно заряженных частиц лунной пыли, парящих в приповерхностном слое Луны в дневное время на высоте порядка нескольких сот миллиметров. Кроме того, покрытие внешних поверхностей чаши и входного зрачка, а также поверхностей зеркал оптической системы электроизолированными электропроводящими оболочками, имеющими электрический заряд с заданной частотой смены полярности в зависимости от смены дня и ночи на данной поверхности Луны, позволяют последовательно отталкивать положительно заряженные частицы лунной пыли от оседания на поверхности оптических элементов. Такое устройство, сочетающее в себе возможность комбинированной защиты (как механически, так и электрически), является наиболее эффективным и надежным для предохранения оптических поверхностей оптических элементов телескопа от лунной пыли при проведении долговременных прецизионных наблюдений астрономических объектов, в том числе и Земли с помощью оптических телескопов на поверхности естественного спутника Земли. При этом форма чаши обусловлена простотой ее изготовления, а ее дно позволяет надежно установить оптический телескоп в ней, а также служебную и прочую аппаратуры, обеспечивающую успешную работу оптического телескопа в лунных условиях.
Сущность заявляемого изобретения и его практическая реализация приведены на чертеже и в нижеследующем описании.
На чертеже изображен общий вид оптического телескопа (в разрезе).
Оптический телескоп (чертеж) состоит из корпуса в виде полой герметичной трубы 1, в котором размещена оптическая система, состоящая из главного вогнутого гиперболического зеркала 2 с центральным отверстием 3, вторичного выпуклого гиперболического зеркала 4 и фотоприемного устройства (ФПУ) 5, установленного в фокальной плоскости оптического телескопа. ФПУ 5 может быть выполнено, например, в виде фоточувствительной матрицы. Над входным зрачком 6 оптического телескопа параллельно его оптической оси установлен выдвижной козырек 7, имеющий в поперечном сечении обтекаемую форму, обеспечивающую стекание поступающей вертикально лунной пыли на поверхность 8 Луны, например, форму части цилиндра, или части овала, или части параболоида и др. Выдвижной козырек 7 соединен с установленным на трубе 1 механизмом 9 возвратно-поступательного перемещения выдвижного козырька 7 вдоль поверхности трубы 1 оптического телескопа (параллельно его оптической оси) и над входным зрачком 6 (на чертеже показано пунктиром) на величину L, удовлетворяющую соотношению:
L=tgα (D+а+b), мм,
где D - диаметр входного зрачка 6 оптического телескопа, мм;
a - расстояние от внешней верхней поверхности выдвижного козырька 7 до входного зрачка 6 оптического телескопа, мм;
b - расстояние от нижнего края входного зрачка 6 оптического телескопа до нижней наружной поверхности переднего торца трубы 1 оптического телескопа, мм;
α≤75° - угол наклона оптической оси оптического телескопа относительно поверхности 8 Луны.
к
При этом длина L выдвижного козырька 7 равна максимально возможной величине L, а ширина H выдвижного козырька 7, мм, удовлетворяет соотношению: H>D.
к
к
Выбор верхней границы угла α обусловлен тем, что при α, большим 75°, величина длины L выдвижного козырька 7 оказывается избыточно большой, что технически и экономически нецелесообразно. При меньших, чем указано выше, размерах L и H опускающаяся вертикально лунная пыль может попадать на входной зрачок 6 оптического телескопа.
Механизм 9 перемещения выдвижного козырька 7 может быть выполнен, например, в виде комбинации направляющей и винта, шарнира и др. и снабжен первым приводом 10 в виде, например, шагового электродвигателя, а также датчиком (на чертеже не показан) перемещения и концевыми датчиками (на чертеже не показаны). Механизм 9 перемещения выдвижного козырька 7 может быть подключен к блоку (на чертеже не показан) электроники управления оптическим телескопом для автоматического управления его работой, задавая необходимую величину его перемещения. Дополнительно может иметься матовое стекло 11, устанавливаемое на входном зрачке 6 оптического телескопа с помощью шарнира 12 только во время калибровки научной аппаратуры оптического телескопа и в его нерабочем положении и снабженное вторым приводом (на чертеже не показан), например, в виде шагового электродвигателя. Матовое стекло 11 во время научных наблюдений убирают под трубу 1 оптического телескопа и фиксируют там. В случае наличия матового стекла 11 выдвижной козырек 7 обеспечивает и его надежную защиту от опускающейся вертикально лунной пыли как в рабочем положении оптического телескопа, так и во время калибровки научной аппаратуры и в его нерабочем положении.
Труба 1 телескопа установлена в центральной зоне чаши 13, выполненной в виде перевернутого усеченного конуса (с круглым основанием вверху), с помощью заданной альт-азимутальной монтировки, состоящей из неподвижного основания - вертикальной колонны 14 и вращающейся верхней части 15, в которой установлена труба 1 телескопа. Вертикальная колонна 14 монтировки может прикрепляться к нижнему основанию (дну) чаши 13, например, с помощью винтов или болтов (на чертеже не показано). Вертикальная колонна 14 монтировки в своей верхней части содержит средства 16 поворота верхней части, в которой установлена труба 1 телескопа, по азимуту вокруг вертикальной оси, включающие двигатели (на чертеже не показано), подшипники (на чертеже не показано), направляющие (на чертеже не показано), датчики (на чертеже не показано) поворота и пр. Вращающаяся верхняя часть 15 монтировки может быть выполнена, например, U-образной, в центре верхнего края которой установлена труба телескопа и имеются средства 17 поворота трубы телескопа по высоте вокруг горизонтальной оси, включающие двигатели (на чертеже не показано), подшипники (на чертеже не показано), направляющие (на чертеже не показано), датчики (на чертеже не показано) поворота и пр.
Данная альт-азимутальная монтировка телескопа по двум осям обеспечивает необходимые наклоны и направления по азимуту трубы 1 телескопа на заданный нужный угол, что позволяет проведения наблюдений астрономических объектов всей небесной сферы, расположенных выше лунного горизонта до высоты 75°.
Оптический телескоп расположен в чаше 13 так, чтобы нижний край его входного зрачка 6 в горизонтальном положении трубы 1 находился выше верхнего уровня данной чаши 13, а торцы трубы 1 без козырька 7 в вертикальной проекции не достигали верхней внутренней поверхности конуса чаши 13.
Внешняя поверхность чаши 13, внешняя поверхность входного зрачка 6 и поверхность зеркал 2 и 4 оптической системы покрыты электроизолированными электропроводящими оболочками (на чертеже не показано), подключенными к блоку (на чертеже не показано) электропитания, расположенному внутри чаши 13, имеющими электрический заряд с заданной частотой смены полярности в зависимости от смены дня и ночи на данной поверхности Луны. В период освещения Солнцем данной поверхности, где установлен оптический телескоп, покрытия имеют положительный заряд, а в период отсутствия освещения - отрицательный заряд. При этом в области лунного терминатора (смены лунного дня и ночи) наблюдения не проводятся, и оптический телескоп не работает, а его входной зрачок 6 закрывается герметичной крышкой (на чертеже не показано). Оболочки (на чертеже не показано) внешних поверхностей чаши 13 и входного зрачка 6 телескопа выполнены из сплошного тонкого материала с высокой электропроводностью, например, из меди или алюминия.
Чаша 13 выполнена из прочного материала, например из титана или стали. Свободное внутреннее пространство чаши 13 предназначено для установки служебной и прочей аппаратуры, обеспечивающей успешную работу оптического телескопа в лунных условиях. Перевернутый (с круглым основанием вверху) усеченный конус чаши 13 имеет сплошное дно формой близкой к горизонтальной и крепления (на чертеже не показано) для монтировки телескопа.
Чаша 13 выполнена с возможностью расположения ее над ровной площадкой поверхности Луны на высоте порядка 300 мм так, что ее верхний уровень расположен на высоте не менее 1000 мм над поверхностью. Чаша 13 имеет 6-8 опорных ног 18 высотой по вертикали порядка 300 мм, рассчитанных на массу всего комплекса с учетом всех возможных перегрузок, в том числе и при посадке комплекса на поверхность Луны.
Настоящий оптический телескоп работает следующим образом.
При транспортировке оптического телескопа, установленного в штатной чаше 13, в частности на Луну, и в его нерабочем положении выдвижной козырек 7 задвинут в пределы трубы 1 оптического телескопа, а входной зрачок 6 закрыт герметичной крышкой (на чертеже не показана). После установки оптического телескопа на поверхности 8 Луны в нерабочем состоянии выдвижной козырек 7 также задвинут в пределы трубы 1 оптического телескопа, а электроизолированные электропроводящие оболочки (на чертеже не показано) внешних поверхностей чаши 13 и входного зрачка 6, а также поверхностей зеркал 2 и 4 оптической системы остаются в обесточенном состоянии. Перед началом каждого цикла наблюдений определяют освещенность Солнцем данной площадки, где установлен оптический телескоп, и максимальную высоту наблюдаемых объектов над лунным горизонтом, т.е. максимальный угол α наклона оптической оси оптического телескопа к поверхности 8 Луны (не более 75°) и через блок (на чертеже не показан) электроники управления оптическим телескопом подают команду механизму 10 возвратно-поступательного перемещения выдвижного козырька 7 о выдвижении выдвижного козырька 7 от входного зрачка 6 оптического телескопа на соответствующую величину L. Одновременно блоком (на чертеже не показан) электроники управления оптическим телескопом подается команда на подключение электроизолированных электропроводящих оболочек (на чертеже не показан) внешних поверхностей чаши 13 и входного зрачка 6, а также поверхностей зеркал 2 и 4 оптической системы к блоку (на чертеже не показан) электропитания с соответствующим зарядом в зависимости от дневного или ночного времени предстоящего цикла наблюдений. В другом цикле наблюдений при изменении угла α и освещенности данной площадки Солнцем длину выдвинутой от входного зрачка оптического телескопа части козырька 7 и изменение полярности электрического заряда упомянутых электроизолированных оболочек таким же образом соответственно корректируют. После поступления в блок (на чертеже не показано) электроники управления оптическим телескопом подтверждения выдвижения подвижного козырька 7 на заданную длину и поступления электрического заряда соответствующей полярности на электроизолированные электропроводящие оболочки (на чертеже не показан) внешних поверхностей чаши 13 и входного зрачка 6, а также поверхности зеркал 2 и 4 оптической системы выполняют необходимые наблюдения по всему данному циклу. В блоке (на чертеже не показан) электроники управления оптическим телескопом заранее предусмотрено (запрограммировано) закрытые герметичной крышкой (на чертеже не показан) входного зрачка 6 и прекращение наблюдений оптическим телескопом в области лунного терминатора. После прекращения или завершения наблюдений труба 1 телескопа приводится в горизонтальное положение и отключается электропитание телескопа. В процессе эксплуатации оптического телескопа используется система (на чертеже не показано) контроля фотометрических характеристик оптического телескопа, которая осуществляется при направлении телескопа на Землю в период каждой ее полной фазы. Для этого входной зрачок 6 оптического телескопа накрывают матовым стеклом 12, которое будет освещаться полной Землей и создавать равномерный уровень освещенности в плоскости ФПУ 5. Такая ежемесячная калибровка оптического телескопа на поверхности Луны, проводимая в период полной фазы Земли, позволяет следить за состоянием фотометрических характеристик матричного ФПУ. В результате осуществляемой калибровки любое изменение электрического сигнала на выходе ФПУ 5 или каждого его пикселя, при равномерности уровня освещенности принимаемого потока излучения в плоскости ФПУ 5, может быть автоматически учтено введением поправки.