DE3837770A1 - Einrichtung zur positionierung des hilfsspiegels eines teleskops - Google Patents

Description

Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine Einrichtung zur Positionierung des Hilfsspiegels eines Teleskops.

Es ist bekannt, daß zur Beobachtung eines Sterns im Infrarotbereich das Eingangssignal vom Grundgeräusch be­ freit werden muß: das Verhältnis Signal/Störung bei dieser Beobachtungsart ist relativ niedrig, was zu erheblichen Fehlern führt.

Um diesen Nachteil zu umgehen, wird der Hilfsspiegel des Teleskops gemäß einer mittlerweile bewährten Technik mit einer Schwingbewegung um die Azimutalachse versehen.

Auf diese Weise wird eine gewisse Zeit lang der Stern anvisiert, von dem das Signal im Infrarotbereich, das dem Grundgeräusch des umliegenden Himmels überlagert ist, ausgeht.

Eine darauffolgende Zeit lang wird die optische Achse des Teleskops durch eine angemessene Rotation um die Azimutalachse auf den Himmelsbereich gerichtet, der den betreffenden Stern umgibt, um das bloße Grundgeräusch aufzunehmen.

Die zwei Signale werden subtrahiert, und das Ergebnis stellt das vom Stern ausgehende, vom Grundgeräusch be­ freite Infrarotsignal dar.

Dieses mittlerweile auf dem Gebiet der astronomischen Infrarotbeobachtung bewährte Verfahren macht es erfor­ derlich, daß der Übergang der optischen Achse des Tele­ skops von einer Position auf die andere in einer äußerst kurzen Zeit erfolgt, damit die notwendigen Winkel­ verschiebungen von einer Rechteckwelle in Funktion der Zeit dargestellt werden können.

Die Verwendung einer Rechteckwelle ist mit äußerst hohen Beschleunigungen verbunden; daher wird die erforderliche Winkelbewegung im allgemeinen nur dem Hilfsspiegel vor­ behalten, damit die mitspielenden Massen und somit die Schwungkraft, die von dieser abwechselnden Bewegung verursacht wird, reduziert wird.

Die Winkelverschiebung des Hilfsspiegels, die für die Durchführung des oben beschriebenen Infrarotbeobach­ tungsverfahrens erfolgen muß, wird im allgemeinen "Chopping" genannt.

Obwohl die oben beschriebene Winkelbewegung nur auf den Hilfsspiegel beschränkt wird, ist die mit der "Chopping"- Bewegung verbundene Schwungkraft immer sehr groß.

Es muß beachtet werden, daß der Verschiebungswinkel des Hilfsspiegels bis zu 10 Altgradminuten erreichen kann; die Schwingungsfrequenz kann mehrere zehn Hz erreichen, und vor allem muß die Anstiegzeit der Rampe, um eine zufriedenstellende Rechteckwelle zu erhalten, weniger als 80 Millisekunden betragen.

Angesichts dessen sind die gesamten, mit Instrumenten für die Beobachtung im Infrarotbereich ausgestatteten Teleskope, die das oben beschriebene Verfahren anwenden, mit einem Hilfsspiegel geringerer Größe versehen.

Dieser Spiegel erfordert natürlich Montierungs- und Abmontierungsvorgänge, die die Nutzzeit des Teleskops herabsetzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Positionierungseinrichtung auszuführen, die imstan­ de ist, dem normal auf ein Teleskop montierten Hilfs­ spiegel eine "Chopping"-Bewegung zu übertragen, die dessen Verwendung auch während der Beobachtung im Infra­ rotbereich zuläßt.

Dies ist natürlich mit dem Einsatz von Kraftstell­ gliedern verbunden, die gegenüber den bisher verwendeten Vorrichtungen geeigneter sein, aber genauso gute Betriebseigenschaften aufweisen müssen.

Angesichts der erheblichen mitspielenden Massen war es sofort offensichtlich, daß die Schwingung eines Hilfs­ spiegels großen Ausmaßes nicht mit den bekannten Syste­ men ausgeführt werden konnte, die die Verwendung von Elektromagneten in Verbindung mit Rücklauf- und Null­ punktfederungen vorsehen.

Überdies muß beachtet werden, daß der Hilfsspiegel eines Teleskops nicht nur der genannten "Chopping"-Bewegung, die einzig für die Beobachtungen im Infrarotbereich erforderlich ist, sondern auch sehr schnellen Winkel­ anpassungsbewegungen ausgesetzt werden muß, um der Störwirkung des Windes zu widerstehen.

Durch die Einwirkung des Windes auf den Unterbau des Teleskops erfolgt eine Abweichung der Beobachtungsachse, die durch eine Winkelverschiebung des Hilfsspiegels korrigiert werden muß.

Diese Korrekturwinkelbewegung muß ebenfalls in sehr kurzer Zeit und somit durch die Aufbringung erheblicher Kräfte erfolgen, die imstande sind, die assoziierten Schwungkräfte sowie die vom Wind erzeugten Kräfte zu bezwingen.

Überdies muß beachtet werden, daß die "Chopping"- Winkelbewegung einen regelmäßigen Verlauf in Funktion der Zeit aufweist, während diese zweite Winkelbewegung, die unter dem Namen "Tilting" bekannt ist, sich völlig unregelmäßig den vom Wind erzeugten Kräften widersetzen muß.

Zur Zeit werden Teleskope ohne die traditionelle Schutz­ kuppel verwendet, und oft werden die genannten Teleskope in hohen Berggebieten aufgestellt, in denen die meisten Winde mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, bis zu 50-60 Knoten und darüber, wehen.

Daher können die mitspielenden Kräfte sehr erheblich sein.

Zur Zeit sind bei der Beobachtung im Infrarotbereich die Totzeiten unumgänglich, die die Auswechslung des Hilfs­ spiegels mit sich bringt.

Wie schon vorher gesagt, ist überdies die Beobachtung im Bereich der sichtbaren Wellenlängen durch die Einwirkung des Windes gestört, wenn letzterer bestimmte durch­ schnittliche Stärken und bestimmte Ausschlagwerte über­ schreitet; dadurch werden die Nutzzeiten des Teleskops verringert.

Gemäß der Erfindung wurde dieses Problem gelöst, indem die "Chopping"- und "Tilting"-Bewegungen mit Hilfe eines öldynamischen Systems beispielsweise der Art gesteuert werden, die für die Steuerung der Ventile einer Turbine vorgesehen ist, bei denen auf ähnliche Weise hohe Kräfte und sehr geringe Bereitschaftszeiten erforderlich sind.

Ein weiteres, von der vorliegenden Erfindung gelöstes Problem besteht aus der Beibehaltung der Form der Refle­ xionsoberfläche des Hilfsspiegels, wenn bei dessen Orientierungsänderung die Verteilung der Gewichtskraft unter statischen Bedingungen variiert.

Die Oberflächenform des Spiegels muß überdies beibe­ halten werden, wenn auf ihn die von den Chopping- und Tiltingbewegungen verursachte Schwungkraft einwirkt.

Zur Kontrolle und zur Beibehaltung der Form der Refle­ xionsoberfläche des Hilfsspiegels ist ebenfalls erfin­ dungsgemäß ein öldynamisches System vorgesehen, das vorzugsweise bei geschlossenem Stromkreis über einen Computer mit geeigneten Kraft- und/oder Bewegungssenso­ ren verriegelt ist.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung werden in den Ansprüchen zusammengefaßt und schematisiert; der Gegen­ stand und die Vorteile derselben gehen überdies aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen hervor, die nur beispielsweise in bezug auf die Zeich­ nungen gewählt wurden, von denen

- Fig. 1 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie I-I von Fig. 2 eines erfindungsgemäß ausgestatteten Hilfs­ spiegels in einer ersten Ausführungsform darstellt, in der der Hilfsspiegel eine große Stärke aufweist;

- Fig. 2 ein Querschnitt gemäß der Ebene II-II der vorhergehenden Fig. 1 ist; Fig. 2 ist ebenfalls für die zweite Ausführungsform der Erfindung geeignet, die in den nachfolgenden Fig. 3/A und 3/B dargestellt wird;

- Fig. 3 analog zu Fig. 1 ist, sich aber auf eine Aus­ führungsvariante bezieht;

- Fig. 4 ein Grundschema des öldynamischen Kreislaufs darstellt, der erfindungsgemäß verwendet wird.

Mit besonderer Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird mit 10 eine Grundplatte bezeichnet, die mit den Orien­ tierungsvorrichtungen des Hilfsspiegels 20 fest verbun­ den ist.

Man kann daher sagen, daß die Grundplatte 10 in Wirk­ lichkeit fest mit dem Rahmen des Hilfsspiegels verbunden ist und gemeinsam mit demselben mit langsamen Bewegungen bewegt wird, wenn das Teleskop orientiert wird.

Der Spiegel 20, der eine große Stärke aufweist, ist in diesem Fall selbsttragend.

Die genannte Grundplatte 10 wird ihrerseits steif von Bolzen 31 gehalten, die untereinander und zur Achse (z) des Spiegels 20 parallel verlaufen.

Die Bolzen 31 werden ihrerseits von Leitlagern 32 gehal­ ten, die deren Gleitbewegung gemeinsam mit dem Hilfs­ spiegel 20 entlang der Achse (z) durch geeignete, an sich bekannte und in ihrer Gesamtheit mit 33 bezeichnete Bewegungsvorrichtung ermöglichen.

Wie man in Fig. 2 sieht, sind vier Bolzen 31 vorhanden, und die Radialebenen, die die jeweiligen Achsen durch­ laufen, bilden untereinander Winkel von je 60 und 120°. Die Leitlager 32 sind untereinander fest durch ein Gestell 34-34′ verbunden.

Die Tilting- und Choppingbewegungen werden von der Grundplatte 10 ausgehend auf den Hilfsspiegel 20 über­ tragen.

Eine geeignete Anzahl von gegenübergesetzten hydrauli­ schen Windenpaaren 40 mit Doppeleffekt sind auf die Grundplatte 10 montiert.

Die zwei symmetrisch herausragenden Stangen 41 und 42 der Winden 40 sind auf der einen Seite am Rückteil 21 der Linse 20 und auf der anderen Seite an einer Aus­ gleichsplatte 44, die sich symmetrisch zum Spiegel 20 bewegt, gelenkig angebracht.

Der Spiegel 20 und die Ausgleichsplatte 44 weisen die gleiche Masse und das gleiche Massenträgheitsmoment auf, damit die entgegengesetzte Bewegung des Spiegels und der Ausgleichsplatte keine Reaktionskraft auf die Grund­ platte 10 und auf den Unterbau des gesamten Hilfs­ spiegels überträgt.

Die Tilting- und Choppingbewegungen werden durch die Steuerung der Bewegungen der Kolben der Winden 40 ausgeführt.

Damit die Chopping- und Tiltingbewegungen um den Schwer­ punkt 22 des Spiegels 20 herum erfolgen, sind sowohl die Ausgleichsplatte 44 als auch der selbsttragende Spiegel 20 mit der Grundplatte 10 durch Positionskontrollwinden 46 und 47 verbunden, deren Achse immer den Schwerpunkt 22 des Spiegels 20 je über einen symmetrischen Punkt 23 durchläuft, und die kontrollieren, daß die Bewegung des Spiegels 20 eine Rotationsbewegung um seinen Schwerpunkt 22 herum bildet.

Zu diesem Zweck muß der Ausschlag der Stangen der Winden 46 und 47 kongruent zu den Bewegungen der Winden 40, vorzugsweise durch einen Computer oder alternativ durch geeignete kinematische Einrichtungen, kontrolliert wer­ den.

Außerdem sind sowohl der Spiegel 20 als auch die Aus­ gleichsplatte 44 mit der Grundplatte durch Antirota­ tionsvorrichtungen gegenüber der Achse (z), die aus Gelenkarmpaaren 48 und 49 bestehen, verbunden.

Wie schon vorher erwähnt wurde, ist der Spiegel 20 mit der Grundplatte 10 durch die unteren Stangenenden 41 der gegenübergesetzten Windenpaare 40 verbunden.

Es ist jedoch notwendig, daß die Reflexionsoberfläche 24 des Hilfsspiegels 20 konstant ihre Kugelkappenform bei­ behält: das ist nicht möglich, wenn man keine diesbe­ züglichen Maßnahmen trifft.

Mit der Orientierungsänderung des Teleskops variiert die Gewichtsverteilung der Linse und somit ihre elastische Verformung.

Dasselbe erfolgt bei den schnellen, durch Chopping und Tilting verursachten Bewegungen des Hilfsspiegels 20; während dieser Bewegungen ändert sich nicht nur die Verteilung der Gewichtskräfte aufgrund der unter­ schiedlichen Orientierung, sondern Schwungkräfte dersel­ ben Größenordnung spielen ebenfalls mit.

Aus diesem Grunde ist die rückwärtige ebene Seite 21 des Spiegels 20 mit der Grundplatte 10 nicht nur durch die Winden 40, sondern auch durch eine doppelte Reihe von Winden mit Doppeleffekt 60 und 61 je mit horizontaler und vertikaler Achse verbunden.

Je nach der stationären Orientierung des Hilfsspiegels 20 gleichen die genannten Winden 60 und 61, die auch astatische Halter genannt werden, die Änderungen in der Spiegeloberfläche aus.

Dies gilt ebenfalls, wenn auf den Spiegel 20 die von den Chopping- und Tiltingbewegungen erzeugten Schwungkräfte einwirken.

Die Bezugsposition, mit der die Länge der aus den Winden 60 und 61 bestehenden astatischen Halter korreliert werden muß, wird mit Hilfe von isostatischen Haltern 62 ermittelt.

Der Betrieb der Winden 40 einerseits und der Winden 46 und 47 andererseits wird über einen Computer durch ein Schnellbereitschafts-Servoventilsystem, das in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, gesteuert.

In der genannten Figur sieht man, daß die Position der Stange 41 der Winde 40 kontinuierlich vom Lagemeßsystem 70, das beliebiger, geeigneter Art sein kann, ermittelt wird.

Der Lagemeßwert der Stange 41 wird vom System 70 an einen Kontrollkreis 71 weitergegeben, der die gewünschte Position gemäß einem vorher festgelegten Bewegungs­ programm mit der effektiven Position vergleicht und aufgrund der ermittelten Differenz ein Solenoid 72 in die eine oder die andere Richtung anspricht.

Letzteres wirkt auf den Kern 73 eines Elektromagneten ein, der fest mit dem beweglichen System 74 eines Schieberkastens 75 verbunden ist.

Auf diese Weise ist es möglich, die Kammern 76, 77 und 78 mit dem Druck 80 oder dem Ablaß 81 einer geeigneten, in der Figur nicht dargestellten Pumpe anzuschließen.

Die Leitungen 82 und 83 ermöglichen es, mit dem Druck oder dem Ablaß die beiden Kammern 84 und 85 der Winde 40 anzuschließen und somit die Verschiebung der Stange 41, welche bei geschlossenem Stromkreis in einer an sich bekannten Art vom Positionssensor 70 und vom Kontroll­ kreis 71 kontrolliert wird, in die gewünschte Richtung zu steuern.

Der Kontrollkreis 71 kann, wie oben gesagt, aus einem in geeigneter Weise programmierten Mikroprozessor bestehen.

Die in Fig. 3/A und 3/B dargestellte Konstruk­ tionslösung unterscheidet sich von den in den Fig. 2/A und 2/B dargestellten Lösungen dadurch, daß in diesem Fall der Spiegel 120 dünn ist; die Chopping- und Tiltingbewegung wird daher durch Winden 140 ausgeführt, die zwischen der Grundplatte 10 und einer Zwischenplatte 90 angebracht sind.

Diese Zwischenplatte 90 übernimmt die Aufgabe, die von den Winden 140 aufgebrachten Reaktionen zu ertragen. Ihrerseits ist die Zwischenplatte 90 mit dem Spiegel 120 durch die genannten astatischen Halter 160, 161 sowie durch die genannten isostatischen Halter 162 verbunden. Obwohl sich die vorliegende Erfindung aus Beschrei­ bungsgründen nur beispielsweise auf die vorherigen Beschreibungen und Darstellungen mit besonderer Bezug­ nahme auf die Zeichnungen stützt, können viele Änderungen und Varianten bei der Ausführung der Erfindung angebracht werden; es muß jedoch, berück­ sichtigt werden, daß diese Änderungen und Varianten von den nachstehenden Ansprüchen ausgehen.

Claims (10)

1. Hilfsspiegel für Teleskope der Art, die mit dynami­ schen Bewegungsvorrichtungen, welche imstande sind, sogenannte "Chopping"- und "Tilting"-Bewegungen auszu­ führen, versehen sind, bei denen der genannte Spiegel symmetrisch zu einer Grundplatte und einer Aus­ gleichsplatte beweglich montiert ist, um bei der genann­ ten Grundplatte eine Null-Resultante aufzubringen, wenn der Spiegel zusammen mit der Ausgleichsplatte bewegt wird, gekennzeichnet dadurch, daß die genannten Bewe­ gungsvorrichtungen des Hilfsspiegels und der symmetri­ schen Ausgleichsplatte aus hydraulischen Winden beste­ hen.

2. Hilfsspiegel für Teleskope nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen der genannten hydraulischen Winden mit Positionssensoren verbunden sind; wobei die von den genannten Sensoren ausgehenden Signale Kontrollgeräten übermittelt werden, die die angegebene Position mit einem geeigneten Steuer­ signal vergleichen und unter Berücksichtigung der Diffe­ renz der genannten zwei Signale den Betrieb der genann­ ten Winden in die eine oder die andere Richtung steuern.

3. Hilfsspiegel für Teleskope nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Kontrollgeräte aus einem Spezialrechner bestehen.

4. Hilfsspiegel für Teleskope nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Kontrollgeräte die genannten Winden in die eine oder in die andere Richtung durch Schieberkästen, die von Elektroventilen gesteuert werden, in Bewegung setzen.

5. Hilfsspiegel für Teleskope nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß er außer den ge­ nannten Winden mit Doppeleffekt, die imstande sind, von der genannten Grundplatte aus bei Gegenphase den Hilfs­ spiegel und die Ausgleichsplatte zu steuern, Kontroll­ winden aufweist, die sicherstellen, daß die Verschiebung der Linse des Hilfsspiegels eine Rotationsbewegung um eine Achse ist, die den Schwerpunkt des genannten Hilfsspiegels durchläuft.

6. Hilfsspiegel für Teleskope nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Hilfswinden gemäß den Erzeugenden zweier gegenüber­ gestellter symmetrischer Kegel angebracht sind; wobei die Spitze eines der genannten Kegel über dem Schwer­ punkt des Hilfsspiegels liegt.

7. Hilfsspiegel für Teleskope nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Grundplatte mit dem Hilfsspiegel und symmetrisch mit der Ausgleichsplatte ebenfalls durch Antirotationsverbin­ dungen verbunden ist, die imstande sind, relative Rotationen in bezug auf eine der genannten Grundplatte gegenüber senkrechte Achse zu verhindern.

8. Hilfsspiegel nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Spiegel mit der genannten Grundplatte durch eine Vielfalt von astati­ schen Haltern verbunden ist, die imstande sind, die gegenüber der Grundplatte relativen Verschiebungen des Spiegels zu ermöglichen, wobei jedoch die Form des Spiegels unverändert beibehalten wird.

9. Hilfsspiegel nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß einer Ausführungs­ variante der genannte Hilfsspiegel aus einer dünnen Linse besteht, die mit der Grundplatte durch eine Zwischenplatte verbunden ist; wobei die obengenannten astatischen Halter zwischen der genannten dünnen Linse und der genannten Zwischenplatte liegen, während die Winden zur Bewegung des Spiegels zwischen der genannten Zwischenplatte und der Grundplatte liegen.

10. Hilfsspiegel nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, im wesentlichen gemäß den obigen Beschreibungen und Darstellungen ausgeführt und aufge­ stellt.