Ученые Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и Самарского национального исследовательского университета им. академика С.П. Королева разработали малоразмерный космический телескоп, имеющий в 20 раз меньший вес, чем применяемые в настоящее время приборы аналогичного назначения.

В Российской Федерации последняя орбитальная солнечная обсерватория «КОРОНАС-Фотон» закончила работу в 2009 г., и с тех пор новых аппаратов такого назначения не запускалось. В этих условиях отсутствие данных по солнечной активности может быть восполнено за счет малых космических платформ. Несмотря на то, что качество регистрируемых ими данных может быть ниже, чем в больших обсерваториях, существенно более низкая стоимость, а также сжатые сроки разработки компенсируют этот недостаток.

Альтернативой традиционным космическим платформам служат сверхмалые космические аппараты, так называемые кубсаты. Согласно утвердившейся в мире стандартизации, базовый размер кубсатов формата 1U составляет 10х10х10 см при весе не более 1,33 кг. Стандарт допускает объединение 2 или 3 кубов формата 1U в составе одного спутника, который обозначается 2U или 3U и имеет размер 10х10х20 или 10х10х30 см.

Особенно быстро развиваются коммерческие приложения таких аппаратов для дистанционного зондирования Земли из космоса, а также для задач связи. Однако в области фундаментальной науки сфера применения таких платформ пока ограничена, поскольку при уменьшении массы и размера прибора, как правило, снижаются и его научные характеристики, соответственно снижается ценность получаемых им научных данных.

Основным источником информации о солнечной активности остаются фотографии Солнца, полученные космическими телескопами в ультрафиолетовой области спектра. В частности, на новейшей солнечной обсерватории NASA SDO (Solar Dynamics Observatory) установлено сразу 4 телескопа, получающих фотографии Солнца в восьми различных областях спектра. Аналоги такой аппаратуры для спутников нанокласса ранее не обсуждались и не проектировались. Российские ученые первыми взялись за разработку малоразмерного солнечного телескопа для платформы класса кубсат.

Рис. 1. Принципиальная оптическая схема телескопа. 1 – входная апертура телескопа; 2 – главное зеркало; 3 – вторичное зеркало; 4 – детектор.

Оптическая система телескопа (рис. 1) состоит из двух зеркал: главного, имеющего форму кольца с центральным отверстием, и вторичного. Свет от Солнца проникает во входное окно, расположенное слева, и после отражения от главного зеркала собирается на вторичном зеркале, после чего фокусируется на поверхности детектора, проникая туда через центральное отверстие главного зеркала. Данная схема является одной из наиболее распространенных в области физики Солнца. В частности, такая же система используется в солнечных телескопах AIA, размещенных на спутнике SDO (NASA). Именно по такому принципу работал и телескоп ТЕСИС в составе российской космической обсерватории «КОРОНАС-Фотон» в 2009 году.

Благодаря выбранной схеме удается спроектировать телескоп с эффективным фокусным расстоянием 381 мм при том, что расстояние между зеркалами составляет всего 149,6 мм. При конструировании инструмента это расстояние дополнительно увеличивается за счет размещения детектора, а также переднего узла, состоящего из фильтра и крышки. Полный размер – от входной апертуры до детектора, таким образом, составит 198,5 мм. Поперечный размер инструмента определяется диаметром главного зеркала (72 мм) и диаметром входной апертуры (около 77 мм). Таким образом, продольные и поперечные размеры оптической схемы не превышают заданных ограничений 2U (10×10×20 см).

Поле зрения инструмента составляет 2°, что приблизительно равно четырем солнечным диаметрам. При числе пикселей матрицы детектора 2048, расчетное угловое разрешение прибора составляет 3,52", что достаточно для различения на Солнце объектов размером около 2200 км.

На основе проведенных оптических расчетов была создана конструкторская модель телескопа, которая демонстрирует возможность технической реализации научного солнечного телескопа в заданных габаритных ограничениях (2U).

 

Рис. 2. Общий вид проработанной конструкции. 1 – передний узел (крышка, входной фильтр и вторичное зеркало); 2 – силовая рамная конструкция с посадочными элементами; 3 – фильтр и сетка фильтра; 4 – главное зеркало; 5 – плата детектора с разъемами; 6 – обшивка.

Силовая конструкция прибора представляет собой ферму из металлических направляющих, обшитых листами металла. Поперечные направляющие и обшивка изготовлены из титана, продольные направляющие – из инварного (с очень низким температурным коэффициентом линейного расширения) сплава на основе титана, что снижает влияние перепадов температуры конструкции на качество изображения при работе в космосе.

Российские специалисты провели моделирование изображения солнечного диска с помощью проектируемого телескопа и сравнили их с изображениями, предоставляемыми обсерваторией NASA SDO с угловым разрешением 0,6″ на пиксель.

 

Рис. 3. Изображение солнечного диска с протуберанцем, полученное: а – экспериментальным путем с помощью телескопа AIA на аппарате SDO; б – по результатам моделирования малоразмерного телескопа. Второе изображение более размыто, что не мешает видеть основные детали.

Пример моделирования показан на рис. 3. Демонстрируется протуберанец в короне Солнца. Несмотря на отсутствие тонких деталей, модельное изображение содержит полную информацию для детектирования явления, определения пространственной структуры и изучения его динамики. При этом последнее изображение может быть получено инструментом, имеющим примерно в 20 раз меньший вес и энергопотребление, а также гораздо более низкую стоимость.

Для исследования характеристик инструмента был создан наземный габаритный макет, включающий в себя элементы оптико-электронного тракта.

 

Рис. 4. Габаритный макет с элементами оптико-электронного тракта для наземных испытаний прибора: а – общий вид макета; б – способ организации силовой конструкции прибора.

Сопряжение элементов конструкции осуществлялось винтами, а также с применением лазерной сварки. С целью экспериментальной проверки соответствия выбранного способа организации силовой конструкции требованиям по выводу аппарата на орбиту макет был испытан на вибропрочность к линейным (до 10 g) и вибрационным нагрузкам в диапазоне частот до 20 Гц. Проведенные испытания на вибропрочность подтвердили достаточную жесткость выбранной конструкции.

Таким образом российскими учеными предложена и экспериментально отработана конструкция малоразмерного телескопа, предназначенного для установки на космические платформы формата кубсат с размером от 2U и выше. Показано, что при достаточно жестких ограничениях на размер (10×10×20 см) и массу (1,5 кг) возможно достигнуть угловое разрешение наблюдений лучше 4" в пределах всего наблюдаемого диска Солнца, что соответствует структурам размером около 2500 км. Такая точность достаточна для регистрации всех основных типов солнечной активности, за исключением микро- и нановспышек (объекты с характерным размером порядка 1000 км).

Создание летного прибора и проведение эксперимента в космосе возможны в период 2022–2023 гг.

Подробнее в статье «Телескоп для получения изображений Солнца на малоразмерных аппаратах типа кубсат», А. А. Перцов, С. Ю. Дятков, Н. Ф. Ерхова, А. А. Холодилов, Д. В. Лыков, А. А. Трушина, В. И. Червинский, Ф. В. Фатеев, А. В. Греков, А. В. Трифонов, И. П. Лобода, С. А. Богачев, А. С. Кириченко, «Приборы и техника эксперимента», 2022, № 2, стр. 131-137.

Редакция сайта РАН