Объектив съемочной системы дистанционного зондирования Земли высокого разрешения видимого и ближнего ИК диапазонов для космических аппаратов микро-класса

Изобретение относится к оптико-электронной технике и может быть использовано в летательных аппаратах дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) микро-класса.

Из уровня техники известна схема и частная реализация конструкции телескопа дистанционного зондирования Земли высокого разрешения для космических аппаратов микро-класса, описанная в патенте Российской Федерации на изобретение № 2646418 (заявка RU 2017102362 от 25.01.2017 г.). Оптическая схема указанного телескопа состоит из зеркально-линзового осевого объектива с некруглой апертурой, включающего собирающую входную линзу, в центре которой расположено выпуклое вторичное зеркало, вогнутое главное зеркало-линзу и предфокальный двухлинзовый корректор. Плоскость изображения находится вблизи задней поверхности крепежной системы главного зеркала. Оптомеханическая конструкция содержит боковые стойки, шпангоут, размещенный на нем держатель, внутри которого размещен корректор, а на внешней стороне закреплены главное зеркало-линза и бленда. Сборки входной линзы с вторичным зеркалом и главного зеркала-линзы с корректором соединены боковыми стойками, закрепленными со стороны главного зеркала-линзы на шпангоуте, а со стороны входной линзы – на ее держателе. Техническим результатом данного технического решения является обеспечение высокодетальной съемки поверхности Земли при размещении телескопа на КА микро-класса.

Недостатком данного технического решения является использование в конструкции входной собирающей линзы, наличие которой способствует увеличению массы телескопа и высокой чувствительности к температурным флуктуациям окружающей среды. Также предложенная схема исключает возможность создания более длиннофокусных систем для аппаратов микро-класса.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является зеркально-линзовый телескоп на базе схемы Ричи-Кретьена с афокальным линзовым корректором, использующийся в оптико-электронной аппаратуре «Аврора» высокого разрешения, установленной на малом космическом аппарате «АИСТ-2Д»
(д-р техн. наук А.Н. Кирилин, д-р техн. наук Р.Н. Ахметов, д-р техн. наук,
чл.-корр. РАН Е.В. Шахматов и др. Опытно-технологический малый космический аппарат «АИСТ- 2Д», г. Самара 2017, стр. 69 - 87). Зеркально-линзовый объектив представляет собой корпус-трубу, выполненный из углепластика, внутри которого смонтированы основные узлы – вогнутое гиперболическое главное зеркало диаметром 360 мм, выпуклое вторичное с механизмом принудительной дистанционной фокусировки, афокальный линзовый корректор (диаметром порядка 180 мм), состоящий из 4 линз, собранных в титановом корпусе, и бленды. Зеркала телескопа выполнены из ситалла, а линзы из нескольких марок оптического стекла. Телескоп обладает фокусным расстоянием 2000 мм, угловым полем 5,2°, диаметром входного зрачка 360 мм и рассчитан для работы спектральном диапазоне 0,45–0,80 мкм.

Однако, данное техническое решение имеет ряд недостатков, главным из которых является использование двух гиперболических поверхностей, что значительно усложняет технологический цикл производства и наземной отработки, а также подобная комбинация зеркал требует высокой точности взаимного расположения оптических элементов, что ведет к нестабильности конструкции к разъюстировкам, возникающим в процессе вывода аппарата на орбиту и в процессе эксплуатации в силу изменяющегося теплового режима. Также одним из основных недостатков является применение ситалла в качестве подложек зеркал, что не позволяет достичь коэффициента облегчения более 60 % и требует введения в конструкцию системы подвеса для главного зеркала, а большое значение величины центрального экранирования оптической системы 0,5 приводит к снижению контраста изображения.

В свою очередь, заявляемое изобретение направленно на обеспечение высокодетальной съемки в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра с помощью объектива, обладающего высокой стойкостью к разъюстировкам и перепадам температур и малой массой, при его размещении на борту КА микро-класса.

Для достижения поставленных задач объектив съемочной системы дистанционного зондирования Земли высокого разрешения видимого и ближнего ИК диапазонов для космических аппаратов микро-класса, состоит из оптических элементов, состоящих из главного вогнутого зеркала, вторичного выпуклого зеркала, трехлинзового предфокального корректора полевых аберраций, на котором установлена бленда конической формы, и оптомеханической конструкции, состоящей из плиты-основания, на которой с одной стороны установлено цилиндрическое основание-тубус с линзовым корректором полевых аберраций внутри, при этом на внешней поверхности основания-тубуса установлено главное зеркало, внутри объектива установлены спицы, зафиксированные на основание-тубусе, на противоположном конце которых закреплен узел вторичного зеркала, с обратной стороны плиты-основания установлен узел фотоприемного устройства, закрепленный на штангах, причем главное вогнутое и вторичное выпуклое зеркала, а также спицы крепления вторичного зеркала, штанги крепления узла фотоприемного устройства и цилиндрическое основание-тубус выполнены из спеченного карбида кремния с коэффициентом облегчения до 85%. Крепление главного зеркала осуществляется зажатием через планку с нерабочей стороны главного зеркала с помощью крепёжных винтов-направляющих, проходящих через отверстия в главном зеркале. Длина спиц соответствует расстоянию между вершинами образующих форм оптических поверхностей главного и вторичного зеркал.

На рис.1 представлена схема конструкции объектива съемочной системы дистанционного зондирования Земли высокого разрешения видимого и ближнего ИК диапазонов для космических аппаратов микро-класса, который состоит из:

1 – главное вогнутое зеркало (далее главное зеркало);

2 – вторичное выпуклое зеркало (далее вторичное зеркало);

3 – трехлинзовый предфокальный корректор полевых аберраций (далее линзовый корректор);

4 – цилиндрическое основание-тубус (далее тубус);

5 – крепежные винты-направляющие;

6 – планка;

7 – оправа вторичного зеркала (далее оправа);

8 – юстировочная оправа;

9 – спицы;

10 – оправа линзового корректора 3;

11 – бленда линзового корректора 3;

12 – плита-основание;

13 – штанги;

14 – узел фотоприемного устройства.

Объектив представляет собой зеркально-линзовую осевую оптическую систему на основе схемы Кассегрена и состоит из главного зеркала 1 и вторичного зеркала 2, выполненных из спеченного карбида кремния с коэффициентом облегчения до 85%, и линзового корректора 3.

Главное зеркало 1 по посадке центрального цилиндрического отверстия жестко закреплено на тубусе 4 с помощью крепежных винтов-направляющих 5, проходящих через кольцевую площадку на тубусе 4 и крепежные отверстия в главном зеркале 1, соединенных с ответной планкой 6 (см. рис. 2).

Вторичное зеркало 2, установлено в собственной оправе 7 и закреплено в юстировочной оправе 8, в которой обеспечиваются юстировочные поперечные подвижки зеркала с помощью цилиндрических винтов. Закреплённое в своей оправе 7 вторичное зеркало 2 и юстировочная оправа 8 формируют узел вторичного зеркала, который жёстко закреплен на дальнем от главного зеркала 1 конце спиц 9, при этом спицы 9 выполнены также из спеченного карбида кремния.

Линзовый корректор 3 состоит из трех линз, изготовленных из оптического стекла одной марки, и собственной оправы 10, сборка которых образует узел линзового корректора 3, который в свою очередь жестко закреплен внутри тубуса 4. Соосность главного зеркала 1 и линзового корректора 3 обеспечивается конструктивно точностью обеспечения заданных посадок цилиндрического отверстия главного зеркала 1, собственной оправы линзового корректора 3 и внешней цилиндрической поверхности тубуса 4. Соосность вторичного зеркала 2 с главным зеркалом 1 и линзовым корректором 3 обеспечивается с помощью поперечных подвижек внутри юстировочной оправы 8. Бленда 11 линзового корректора 3 жёстко закреплена на спицах 9. Спицы 9 закреплены на тубусе 4. Длина спиц 9 соответствует расстоянию между вершинами образующих форм оптических поверхностей главного 1 и вторичного 2 зеркал, следовательно, при изменении температуры изменения радиусов кривизны зеркал и длины спиц оптически согласованы.

Вся вышеописанная конструкция жестко закреплена через тубус 4 на плите-основании 12. С обратной стороны плиты-основания 12 жёстко закреплены штанги 13, на которых монтирован узел фотоприемного устройства 14, состоящий из матричного приёмника излучения и юстировочной платформы, обеспечивающей продольные подвижки плоскости установки фотоприемного устройства. Крепление узла матрицы осуществляется в плоскости, находящейся за плоскостью фоточувствительных элементов, при этом перемещение фотоприемного устройства при изменении температуры окружающей среды складывается из разнонаправленных термических изменений размеров штанг крепления узла в целом и блока матрицы фотоприемного устройства отдельно, таким образом обеспечивается оптическое согласование плоскости установки фотоприемного устройства с фокальной плоскостью объектива при изменении температуры.

Особенностью заявленного объектива является то, что спицы 9, цилиндрическое основание-тубус 4 и штанги 13 так же, как главное зеркало 1 и вторичное зеркало 2, выполнены из спечённого карбида кремния. Применение одного и того же материла для вышеуказанных элементов позволяет достигнуть высокую стойкость к разъюстировкам и перепадам температур, так как их коэффициент термического линейного расширения в таком случае одинаков, что обеспечивает пропорциональные термические изменения линейных размеров. Также карбид кремния за счет своих физических свойств позволяет значительно облегчать как оптические, так и конструктивные элементы объектива. Например, на зеркалах возможно добиться коэффициента облегчения до 85%, что позволяет значительно снизить массу объектива и обеспечивает возможность его применения на космических аппаратах микро-класса.