НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o113.pdf (1076.31Кб)

УДК 520

Россия,  МГТУ им. Н.Э. Баумана

Создание крупногабаритных оптических телескопов базировалось на использовании различных концепций построения. Каждая концепция неизбежно сталкивалась с проблемами оптимизации технических характеристик и параметров телескопа. Всегда стоял вопрос - какую концепцию выбрать, как оценивать эффективность таких телескопов, по каким критериям, как оценить целесообразность того или иного проекта крупногабаритного телескопа. Оценивать по разрешающей способности, этого явно недостаточно. По величине углового поля – тоже не подходит. Ну а может быть по звездной величине. Все эти критерии связаны между собой. Улучшение одного из этих параметров неизбежно приводит к ухудшению остальных. Очевидно, тут нужен некий обобщенный критерий, учитывающий все параметры и особенности концепции построения крупногабаритного телескопа. Таковым может служить критерий информативности телескопа.
В статье предложен комплексный критерий, позволяющий не только оценить эффективность крупногабаритных оптических телескопов, но и сравнить между собой их концептуальный и технологический уровень с точки зрения получения информации.
Предложен новый термин – инвариант информативности, характеризующий информативные возможности выбранной концепции и реализующей технологии. Это позволит избежать неоправданных осложнений технических решений, ошибочных акцентов в проектировании и лишних материальных затрат при разработке проекта.
Анализ существующих проектов крупногабаритных телескопов по критерию информативности убедительно показал, что концептуально лучшими являются три телескопа: GSMT, CELT и АСТ-25. Причем, по информативности АСТ-25 превосходит GSMT и CELT более, чем в 10 раз, а существующий Keck-телескоп – в 30 раз. Отсюда напрашивается вывод: выгоднее реализовать один АСТ-25, чем делать 10 GSMT или CELT. Еще раз подтверждается вывод, сделанный автором в марте 2000 года [11], заключающийся в том, что создавать телескопы наземного базирования с диаметром главного зеркала более 25 м для регистрации изображений чрезвычайно удаленных астрономических объектов не имеет здравого смысла. А создание телескопов с диаметрами от 30 до 100 м, как это видно из расчетов, не дает никаких преимуществ перед телескопами меньшего диаметра, а лишь чрезвычайно усложняет и удорожает проблему.
Показано, что введение нового понятия инварианта информативности для крупногабаритных оптических телескопов  позволит по- новому взглянуть на сам процесс разработки сложных оптико-электронных комплексов. Инвариант информативности как критерий эффективности дает возможность оценки и сравнения различных технических решений на этапе поиска оптимальных путей повышения информативности телескопов.
Кроме того, что весьма существенно,  инвариант информативности закроет дорогу заблуждениям в части возможности увеличения количества информации путем увеличения диаметра зеркала телескопа и освободит научно-техническую общественность от неудачных проектов и неоправданных материальных затрат.
Проблемами создания супертелескопов 5 поколения (25-метрового и больших размеров) ученые и инженеры начали заниматься уже в начале 90-х годов прошлого века, когда разворачивалось проектирование и строительство четвертого поколения оптических телескопов 10-метрового класса. В последние годы ХХ века, когда реализация основных проектов телескопов четвертого поколения вступила в завершающую фазу, эти исследования начали расширяться и углубляться. Невзирая на сложность стоящих проблем вслед за предложениями по 25-метровым телескопам последовали аванпроекты телескопов с апертурой 50 метров, и даже 100 метров
- влияние лазерного излучения на элементы конструкции и среду распространения и, вследствие этого, – обратное влияние элементов конструкции и среды распространения на ВФ передаваемого излучения;
- отсутствие опорного источника излучения на длине волны передаваемого лазерного излучения, необходимого для осуществления методов адаптивной коррекции искаженного ВФ;
- наличие в передающих системах дополнительных искажающих факторов, присущих только лазерным системам.
К таким искажающим факторам следует отнести:
• протяженность оптического тракта из-за необходимости пространственного разнесения лазерного источника большой мощности с большим числом согласующих оптических элементов;
• тепловое самовоздействие мощного лазерного излучения в канале транспортировки излучения до ввода его в формирующую оптическую систему;
• нестабильность пространственно-временных характеристик самого лазерного источника излучения, ухудшающая условия прохождения излучения как внутри оптического тракта, так и в свободной атмосфере;
• тепловые неоднородности и термодеформации.
Показано, что от активной оптики адаптивные системы отличает то, что коррекция искажений волнового фронта излучения происходит в реальном времени по всей совокупности искажающих факторов (не только по влиянию атмосферы) с быстродействием на порядок превышающем действие самих искажений. При этом оценка качества коррекции производится по критерию качества первичного изображения.
При этом, коррекция непрерывно учитывает информацию о текущих пространственных, температурных, временных и юстировочных параметрах оптической системы, обеспечивая поддержание высокого качества изображения в условиях действия искажающих факторов.
Сформулированы и предложены основные постулаты адаптивной коррекции.
Постулаты представляют собой совокупность утверждений и положений, позволяющяя реализовать эффективные средства адаптивной коррекции искажений.
Показано также какие реальные возможности открывает использование методов и средств адаптивной оптики в эффективном использовании энергии лазерного излучения и  какими путями достигается решение этих задач. Прежде всего, это:
- формирование системы допущений и минимизация искажений в оптическом тракте, включающем собственно резонатор лазера, канал транспортировки мощного лазерного излучения с отклоняющими зеркалами, формирующий телескоп с составным главным зеркалом;
- формирование критериев эффективности адаптивных оптических систем;
- многоконтурность системы адаптивной коррекции искажений.
Обсуждены результаты испытаний транспортировки мощного лазерного излучения  на горизонтальной трассе и показан внешний вид формирующей оптической системы испытательного комплексного стенда.
Убедительно доказано, что использование предложенных постулатов при разработке или модернизации оптических комплексов, обеспечивают наименьший уровень остаточных искажений и эффективность работы адаптивных оптических средств.
Предложенные постулаты адаптивной коррекции ВФ излучения и положительный опыт их использования в полномасштабных оптических комплексах в значительной степени сократят сроки и финансовые затраты при создании эффективных средств наблюдения за удаленными объектами, а также средств формирования и доставки энергии на космические объекты для различного ее использования – энергообеспечения, связи, борьбы с космическим мусором, обеспечением астероидной безопасности и т.д.
Можно сделать вывод, что состояние отечественной оптической науки, ее потенциал в области создания адаптивных средств формирования и транспортировки мощного лазерного излучения, а также полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований, вселяют обоснованную надежду на создание в будущем высокоэффективных крупногабаритных оптико-электронных средств различного назначения.

1. Сычев В.В. Адаптивные оптические системы в крупногабаритном телескопостроении: монография. Старый Оскол: Изд-во «Тонкие наукоемкие технологии», 2005. 464 с.
2. Максутов Д.Д. Астрономическая оптика. Л.: Наука, 1979. 395 с .
3. Сычев В.В. Метод определения информационной емкости изображения в крупногабаритных телескопах // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 4. Режим доступа:http://technomag.edu.ru/doc/413768.html (дата обращения 01.12.2014).
4. Walker G. Astronomical Observations: an Optical Perspective. Cambridge University press, 1987. 17 p.
5. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.: Наука, 1976. 84 с.
6. Стешенко Н.В., Сычев В.В. Адаптивные оптические системы в крупногабаритном телескопостроении // Итоги науки и техники. Сер. Управление пространственной структурой оптического излучения. Т. 1. М.: ВИНИТИ, 1990. С. 107-167.
7. Карапетян Б.О., Осканян В.С. Информационные критерии оценки эффективности астрофизических наблюдений // Доклады АН АрССР. 1978. Т . LXVII. С . 302-307.
8. Волентюк А.Н., Предко Н.Г. Оптическое изображение при дистанционном наблюдении. Минск: Наука и техника, 1991. 69 с .
9. Фризер Х. Фотографическая регистрация информации: пер. с нем. М .: Мир , 1978. 670 с .
10. Вержбицкая Г.М., Прокофьева В.В. Оценка эффективности астрономических ТВ систем // Новая техника в астрономии: сб. науч. тр. Л.: Наука, 1984. С. 113-118.
11. Sychev V.V., Belkin N.D., Deulin E.A. Problems in designing the 25-m-class supertelescope // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4004. P. 330-339. DOI:10.1117/12.393939
12. Волосов Д.С. Методы расчета сложных фотографических систем. М. : ОГИЗ, 1948 . 396 с.