Космическая оптика: история и современность
Введение
Еще в недавнем прошлом оптическая наука ограничивалась изучением физических явлений лишь в видимой области спектра электромагнитных волн, вызывающей зрительные ощущения и называемой светом. В настоящее время изучаемый оптикой диапазон спектра значительно расширился за счет участков невидимого излучения, примыкающих к видимой области: ультрафиолетового, рентгеновского излучений, гамма-излучения и космических лучей, с одной стороны, и инфракрасного излучения вплоть до радиоволн миллиметрового интервала, — с другой.
Согласно электромагнитной теории света все электромагнитные излучения (радиоволны, видимые и невидимые) имеют одинаковую природу и различаются между собой только частотой колебаний v и соответственно длиной волны
Оптикой называется раздел физики, в котором изучаются: природа оптического излучения, законы его распространения и процессы, наблюдаемые при его взаимодействии с веществом.
Целью данной работы является проведение исследования космической оптики, ее истории и современного состояния. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) рассмотреть историю создания приборов космической оптики,
2) проанализировать появление телескопов,
3) изучить адаптивную оптику и ее особенности,
4) исследовать современное состояние космической оптики
Объектом исследования является космическая оптика. Предметом исследования выступают история и современное состояние космической оптики.
В работе для проведения исследования использовались методы анализа, синтеза, описательные методы.
1. История создания приборов космической оптики
4 октября 1957 года ТАСС на весь мир объявил о том, что в Советском Союзе впервые в истории человечества баллистической ракетой-носителем на околоземную траекторию выведен искусственный спутник Земли. 4 октября 1957 г. стало началом новой эры - эры космонавтики.
Сообщение о запуске в космическое пространство первого ИСЗ свидетельствовало о создании в стране организационного, научно-технического производственного потенциала с огромными возможностями освоения космического пространства, среди которых фотографирование Земной поверхности из Космоса и поверхности планет Солнечной системы приобретало все большую и большую реальность.
Следующим этапом на пути решения указанной проблемы стало создание специального спускаемого аппарата (СА), обеспечивающего за счет системы торможения в плотных слоях атмосферы и мягкой посадки безупречную доставку с околоземной орбиты на Землю кабины или приборного отсека [3, c.112].
К этому времени (1957 г.) были получены также первые положительные результаты фотографирования Земной поверхности из Космоса аппаратурой АФА-39, установленной на вертикально запущенной ракете.
Путь к широкомасштабному фотографированию Земной поверхности из Космоса был открыт.
Что касается перехода фотографирования Земной поверхности с самолетов с дозвуковыми скоростями полета на самолеты со сверхзвуком, то в принципе, как казалось в самом начале, также было все ясно: бери имеющуюся аэрофотоаппаратуру, располагай ее в приборном отсеке и «в полет». Так точно было на фирме А.Н. Туполева. Но когда после первого полета на пленке вместо ожидаемого изображения Земной поверхности было получено «молоко», стало ясно, что все не так просто, как казалось вначале.
Положение усугублялось тем, что на стапелях у А.Н. Туполева стоял готовый к сдаче на вооружение самолет-фоторазведчик нового поколения, а снимков Земной поверхности, для чего он собственно и создавался, не было никаких. Обладая огромной мощью, оптика в возникших перед нею задачах оказалась делом весьма тонким, изящным и не менее хрупким. И связано это с тем, что речь идет об управлении процессами, происходящими в световых потоках, единицы измерения которых принимаются в тысячу раз меньше микрона.
Создатели ракетных и самолетных комплексов в своих работах по установке на них фотографической аппаратуры сразу же столкнулись с множеством проблем, связанных с чувствительностью аппаратуры к различного рода внешним воздействиям и необходимостью сохранения ее параметров в реальных условиях эксплуатации.
Особое место в этих проблемах занимала термобарическая устойчивость аппаратуры к изменению температуры и давления в приборном отсеке. В особо сложных условиях оказались фотолюки самолетов, осуществляющих фотографирование на сверхзвуковых скоростях полета, и фотоиллюминаторы ИСЗ и MAC, которые помимо сохранения оптических характеристик в полете должны были быть устойчивыми к разрушению в результате воздействия на них огромных температурных ударов при максимальных габаритно-весовых ограничениях [7, c.83].
Министерства авиационной промышленности (фирма А.Н. Туполева) и среднего машиностроения, куда входила фирма С.П. Королева, сразу же «выкатили» указанные проблемы Министерству оборонной промышленности. Государственный оптический институт, входивший в состав МОП, имеющий прикладной характер, сразу же «перевел стрелки» на создателей фотографической аппаратуры, на - КМЗ.
Так завод и его ЦКБ в 1956 году оказались ответственными за решение довольно непростых проблем, связанных с обеспечением стабильности качества изображения в реальных условиях эксплуатации различного рода фотографической аппаратуры, устанавливаемой на различного рода носителях: сверхзвуковых самолетах, искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и межпланетных автоматических станциях (MAC).
Со стороны ЦКБ (нач. ЦКБ П.В. Шевоедин) и завода (директор Н.М. Егоров) реакция была мгновенной. В составе оптотехнической лаборатории №1 научно-исследовательского отдела (НИО) ЦКБ была создана группа специальных исследований в составе 7 человек.
Группа ориентировалась на проведение исследований, связанных с оценкой влияния и определением условий эксплуатации, обеспечивающих стабильность параметров фотографической аппаратуры при ее штатном использовании [9, c.113].
На указанных взаимоотношениях с фирмами-создателями носителей для нашей аппаратуры настаивал министр оборонной промышленности С.А. Зверев, с ним согласился министр средмаша С.А. Афанасьев, в результате чего выдаваемые ЦКБ рекомендации неукоснительно принимались к реализации.
К проведению указанных работ были подключены все необходимые службы завода. Особо большую работу проделала служба главного механика. Там были разработаны и изготовлены экспериментальные установки, на которых воспроизводились различные термобарические условия в приборных отсеках, создавались различные нагрузки на иллюминаторах при отработке их на прочность, а также воспроизводились реальные температурные режимы нагрева фотолюков сверхзвуковых самолетов при выходе их на режимы фотографирования.
Активное участие в проводимых работах принимали В.А. Торопов, впоследствии ведущий специалист 1-го тематического направления ЦКБ и В.Н. Городов, прибывший к нам на завод из Загорска, где он работал начальником оптической лаборатории. Одной из первых работ группы, по предложению представителей фирмы С.П. Королева на нашем предприятии, были вопросы, связанные с создаваемыми для аппаратуры «Фтор-213» (с объективом «Ленинград-9») иллюминаторами.
Исследование влияния переменных температур внутри приборного отсека на положение плоскости наилучшего изображения установленной в нем фотоаппаратуры позволило, с одной стороны, сформировать и предъявить требования к системе температурного регулирования (СТР) спускаемых аппаратов, усилить их термоустойчивость к температурному излучению Земли за счет нанесения на внешнюю поверхность иллюминатора специальной теплоотражающей в ИК-области спектра пленки Sn02 и, с другой стороны, принять конструктивные меры по увеличению термоустойчивости применяемых объективов и аппаратуры в целом [2, c.81].
Исследования термобарической расстраивае-мости и соответствующие расчеты показывали, что наиболее чувствительными к изменению температуры являются первые компоненты объектива «Ленинград-9».
Конструкция объектива разрабатывалась на конкурсной основе одновременно в ГОИ и на КМЗ
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. В производство техническим советом ГОИ была рекомендована разработка завода. Изготовление штатных образцов - цех 28. Объектив успешно прошел лабораторно-заводские испытания и в штатном варианте был применен в аппаратуре «Жем-чуг-4», по результатам применения которой была присуждена Ленинская премия.
Подводя итоги надо сказать, что в настоящем материале указаны лишь некоторые эпизоды той огромной и напряженной работы, которая была связана с созданием первой в истории космонавтики фотографической аппаратуры для фотографирования Земной поверхности из Космоса. Важно другое - это было практически самым началом организации и становления на нашем предприятии 1-го тематического направления, это было вкладом по-настоящему научно-иследовательского отдела ЦКБ в беспримерный подвиг конструкторов направления по созданию совершенно нового класса аппаратуры, позволившей нашему государству решать задачи общенационального характера.
2. Появление телескопов
Первыми прообразами телескопов стали линзы из стекла, появившиеся, ориентировочно, в 7 веке до нашей эры. С этого момента можно брать отсчёт истории более или менее научного наблюдения за звёздами. Только по прошествии почти двух с половиной тысяч лет учёные создали первые телескопы, увеличивающие изображение в 32 раза. Тогда астрономы осознали, что большинство наблюдаемых звёзд находятся от нас на расстоянии куда большем, чем видимые планеты, а значит, для их изучения требуется куда более сложная техника [1, c.125].
Современные телескопы уже дают представление не только об устройстве нашей галактики, но и о том, что расположено вокруг неё. Сами по себе устройства могут находиться как на поверхности планеты, так и в космосе. Рассмотрим подробнее.
Стационарные телескопы предназначены для проведения наблюдений за космическими телами с Земли. Они более распространены по двум основным причинам: во-первых, они появились задолго до запуска первых космических аппаратов, а во-вторых, их гораздо проще калибровать, настраивать и чинить. Такие устройства работают с электромагнитным излучением разных участков спектра.
Радиотелескопы не относятся напрямую к теме оптики: они не работают с изображением, однако получаемые ими данные помогают достроить картину происходящего во всех смыслах слова.
Такие телескопы считывают информацию о радиоизлучении космических тел. Изменение общей картины даёт представление о движении планет и систем в пространстве, характере излучения и спектре звёзд, которые впоследствии можно преобразовать в визуальную форму. Для получения информации о радиофоне необходим мощный уловитель – антенна, которая является одной из двух основных частей аппарата. Вторая часть представляет собой радиометр, предназначенный для считывания и преобразования информации, полученной антенной. Наиболее распространённым является радиотелескоп с чашеобразной (сферической) антенной [6, c.121].
Из 19 крупнейших радиотелескопов 6 находятся на территории России, три – в США и два – в Австралии.
Оптические телескопы имеют куда более привычный вид и более понятный принцип работы. Благодаря использованию системы линз и зеркал они увеличивают разрешающую способность и количество поступающего света, что позволяет как бы приблизить наблюдателя (человека или компьютера) к объекту. Корпус устройства имеет форму трубы, которая постепенно расширяется по направлению к изучаемому объекту. Диаметр самых больших из ныне действующих телескопов может достигать 22 метров. Этот показатель называется входной апертурой и отражает количество света (диаметр светового потока), которое попадает через внешнее стекло внутрь телескопа. То, что мы можем увидеть, посмотрев в телескоп, характеризуется выходной апертурой – критерием, отражающим способность телескопа фокусировать свет на итоговом изображении. Соотношение этих двух показателей представляет собой увеличение оптического прибора. Чем оно больше, тем большей точности можно добиться в изучении космических тел.
Телескоп Хаббл - наверное, самый популярный и известный объект так или иначе связанный с космосом.
Назван телескоп в честь великого американского ученого Эдвина Пауэлла Хаббла, главным достижением которого было открытия эффекта Расширения Вселенной.
Хаббл был запущен на земную орбиту в апреле 1990 года. По своей сути это не просто телескоп - это настоящая автоматическая орбитальная обсерватория.
На воплощение и запуск такого сложного и масштабного проекта как Хаббл понадобилось невероятно много времени, ресурсов и финансовых средств. Видимо поэтому Хаббл и стал совместным проектом двух крупнейших космических агенств мира: НАСА и ЕКА (Европейское космическое агенство).
Размещение телескопа в космосе было абсолютно логичным шагом на пути к его изучению, поскольку земная атмосфера сильно затрудняет наблюдение в некоторых диапазонах (в частности инфракрасном, менее в ультрафиолетовом) а также практически не позволяет регистрировать электромагнитные излучения средней и низкой интенсивности. Таким образом, Хаббл делает в 7 - 10 раз более качественные снимки чем аналогичные аппараты на поверхности Земли.
Статус главного "небесного ока" Хаббл приобрел не сразу после своего запуска, т.к. изначально при изготовлении оптики, в частности главного зеркала, подрядчиками была допущена серьезная ошибка, что сильно сказывалось на качестве получаемых снимков. Дефект был устранен в 1993 году первой экспедицией по техническому обслуживанию и ремонту в результате установки корректирующей оптической системы COSTAR. Процедура установки этой системы стала одной из самых сложных операций в истории астронавтики. Результат не заставил себя долго ждать - качество изображений возросло на несколько порядков и Хаббл был готов покорять новые, неизведанные тайны космоса [7, c.115].
С каждой из четырех последующих обслуживающих экспедиций 1997, 1999, 2002 и 2009 годов космический телескоп получал новейшие обновления для своего технического арсенала, становясь все более совершенным и универсальным орудием исследования просторов космоса. На данный момент в распоряжении Хаббла имеются такие приборы: широкоугольная и планетарные камеры, усовершенствованная обзорная камера, мульти-объектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона, ультрафиолетовый спектрограф. Благодаря своему техническому арсеналу Хаббл был так или иначе причастен к львиной части новостей космоса: открытиям, наблюдениям и снимкам Вселенной начиная еще с 1993 года.
Почти за 23 года проведенных на околоземной орбите Хаббл стал легендарным телескопом. Им было сделано несколько миллионов фотографий, было сделано множество открытий, на базе которых была построена не одна космологическая теория. Ежемесячный поток данных превышает 80 Гигабайт, а их общий объем достиг 50 Терабайт
Наиболее значимые наблюдения Хаббла:
- Съемка столкновения кометы Шумейкеров - Леви с Юпитером в 1994 году.
- Получены подробные кадры поверхности Плутона и Эриды (еще одна карликовая планета).
- Засняты ультрафиолетовые полярные сияния Сатурне, Юпитере и на его спутнике Ганимеде.
- Найдены планеты вне Солнечной системы, а также большое количество протопланетных дисков вокруг звезд в Туманности Ориона. Были найдены доказательства того, что формирование планет происходит у многих звезд в нашей галактике [5, c.73].
- Способствовал частичному подтверждению теории о присутствии сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.
- Получено доказательство того, что Вселенная расширяется с ускорением, а не с постоянной (или затухающей) скоростью.
- Подтвержден точный возраст Вселенной - 13,7 млрд
50% реферата недоступно для прочтения
Закажи написание реферата по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
Задать вопрос
