Warum nicht nur eine Stützfahne für den Fangspiegel verwenden, um mehrfache Beugungsspitzen zu vermeiden?

Ich kann nicht für das JWST sprechen, aber ich arbeite bei einem Unternehmen, das Teleskope für Raumfahrzeuge entwickelt, und ich kann Ihnen sagen, dass ein Großteil der Struktur des Teleskops dazu dient, die Instrumente während des ersten Aufstiegs in den Weltraum zu schützen, wo die Startvibrationen auftreten und G-Loading wird das Schlimmste sein. Außerdem haben Spiegel für so große Teleskope sehr genaue Ausrichtungstoleranzen, und wenn der Sekundärspiegel nicht sehr starr am Raumfahrzeug befestigt ist, können selbst einfache Mikrodehnungen durch Wärmebelastung oder Ausrichtung des Raumfahrzeugs den Spiegel aus der Ausrichtung bewegen. Sogar die Tatsache, dass das Teleskop von einer 1-g-Umgebung zu einer 0-g-Umgebung wechselt, kann den Spiegel bewegen, weil er auf der Erde ausgerichtet war, als der Strahl leicht gebogen war, und dann in der Mikrogravitation wieder gerade ist und der Spiegel falsch ausgerichtet ist!

Ich bin Hobby-Teleskopbauer.

Es gibt Konstruktionen mit einzelnen Leitschaufeln. Ihr Hauptproblem ist mangelnde Stabilität. Sie müssten eine sehr dicke Schaufel verwenden, um das Sekundärteil stabil an Ort und Stelle zu halten. Dies würde eine erhebliche Menge an Licht blockieren und die Leistung des Instruments beeinträchtigen.

Aktive Systeme wären zwar theoretisch möglich, aber sehr teuer. Viele Vibrationen sind ziemlich schnell, Sie müssten das System verfolgen, um die Ausrichtung zu verfolgen, Abweichungen zu erkennen, sehr schnell Entscheidungen zu treffen und Korrekturen vorzunehmen. Bei großen Teleskopen hingegen ist die Masse des Sekundärspiegels nicht unerheblich. Die Aktuatoren selbst würden den Flügel biegen und kippen, während sie den Spiegel herumlenken. Das ist überhaupt keine triviale Aufgabe.

Es ist viel einfacher, einfach mehrere Schaufeln zu verwenden.

Eine weniger bekannte Tatsache: Jede gerade Schaufel erzeugt tatsächlich 2 Spikes, die diametral gegenüberliegen. Selbst das System mit einem Flügel würde also immer noch 2 Spikes ergeben.

Ein 3-Flügel-System macht 6 Spikes und ein 4-Flügel-System macht 8 Spikes.

Warum also scheinen die 4-Flügel-Systeme nur 4 Spikes zu machen? Weil sie paarweise zusammenfallen. In jedem Paar gegenüberliegender Leitschaufeln ist jede Leitschaufel sorgfältig auf ihren gegenüberliegenden Partner ausgerichtet. Dadurch werden die Spikes paarweise zusammengeführt und die Gesamtfigur wird einfacher.

Sie können die Stacheln tatsächlich verschwinden lassen. Jede Spitze ist senkrecht zu der Schaufel, die sie verursacht. Es ist Licht, das an der Kante gebeugt wird und seitlich von der Kante der Fahne ausgeht. Jeder Punkt an der Kante beugt Licht - die Spitze ist das Ergebnis aller Punkte an der Kante, die jeweils ein wenig Licht beugen.

Was passiert also, wenn Sie die Schaufel krümmen? Die Spitze "spreizt sich aus", wie wenn Sie einen Ventilator öffnen. Es ist keine scharfe Linie mehr, es ist eine ganze Fläche.

Wenn die Schaufel genau zu einem Halbkreis gekrümmt ist, wird die Spitze maximal ausgewaschen - sie wird zu einer vollen 360-Grad-Figur. In der Praxis wird die Spitze, wenn sie so weit verbreitet ist, für das Auge des Betrachters unsichtbar. Teleskope mit gebogenen Schaufeln sollen keine Spikes haben.

Aber es gibt kein kostenloses Mittagessen. Jetzt, da Sie die Stacheln ausgebreitet haben, ist das gebeugte Licht immer noch da. Was passiert ist, dass das Sichtfeld insgesamt etwas "nebliger" wird, wie bei einem Lichtnebel. Der Effekt ist sehr gering, aber für kritische Betrachtungen von Bedeutung.

Schließlich können Sie immer noch eine flache Glasplatte an der Oberseite des Instruments anbringen und die Fangspiegelhalterung darauf kleben. Dadurch wird definitiv jede Beugung eliminiert.

Aber es ist schwer, so eine große, optisch flache Platte herzustellen. Es wird dick und schwer. Dies wird nicht über die Größe kleiner Spiegelteleskope hinaus skalieren. Es gibt auch Probleme mit der Kühlung, die langsamer und komplexer wird, weil das Teleskop jetzt oben geschlossen ist.

SCT-Teleskope, die eine Korrektorplatte (nicht flach) verwenden, tun dies sowieso. Gleiches gilt für Maksutov-Cassegrain-Systeme (MCT). Die Platte ist dazu da, das Instrument zu korrigieren, Sie können genauso gut die Sekundärplatte darauf kleben.

(Eigentlich habe ich gelogen. Die SCT- und MCT-Designs sind absichtlich so gemacht, dass die Position der Korrektorplatte und die Position des Fangspiegels zusammenfallen. In der Praxis ist es nur einfacher, es so zu bauen. Aber theoretisch die Platte und der Spiegel müssen nicht zusammenfallen.)

Die Hauptauswahlmöglichkeiten sind also:

1. Drei oder vier gerade Schaufeln. Maximale Stabilität. Sie erhalten 6 oder 4 (nominell 6 oder 8) Spitzen, aber das Bild zwischen den Spitzen ist sauber.

2. Eine gebogene, halbkreisförmige Schaufel. Manchmal zwei gegenüberliegende gebogene Flügel, wie ein X mit Armen, die nach oben/unten in zwei Halbkreise gebogen sind, oder wie die Zahl 8 mit abgeschnittenen oberen und unteren Kappen (dies ist stabiler, erzeugt aber mehr Beugung). Keine sichtbaren Spikes. Etwas reduzierter Kontrast, da die Spikes über das ganze Bild verschmiert wurden.

3. Eine einzelne, dicke Schaufel. Entweder nicht sehr stabil oder reduziert die vom Instrument erfasste Lichtmenge.

4. Keine Flügel, nur eine Glasplatte. Teuer, schwer, skaliert nicht. Aber wenn die Platte nicht flach ist, könnte man sie verwenden, um Korrekturen am Instrument vorzunehmen, dann ist ihre Existenz gerechtfertigt.

Wahl Nr. 1 ist die beliebteste für professionelle und Amateur-Spiegelteleskope. #2 wird manchmal von Leuten verwendet, die aus ästhetischen Gründen etwas gegen Spikes haben. #3 wird in der Praxis selten gesehen. #4 wird mit korrigierten SCT-Systemen, MCT und dergleichen verwendet, da die Platte bereits konstruktionsbedingt vorhanden ist.

Zum JWST kann ich nichts sagen. Bei Amateurteleskopen besteht die Möglichkeit, gekrümmte Stützen zu verwenden, die Beugungsspitzen eliminieren und die Gesamtbeugung verringern sollen. http://www.fpi-protostar.com/crvmnts.htm

Obwohl Beugungsspitzen durch gekrümmte Stützen eliminiert werden, erfolgt die Beugung symmetrisch um helle Objekte herum.

tl; dr: Die Verwendung eines Flügels bietet möglicherweise keinen optischen Vorteil gegenüber drei Flügeln, da der Primärspiegel bereits so stark segmentiert und "kantig" ist, und er bietet sicherlich viele mechanische Nachteile in Bezug auf die Steifigkeit gegen seitliche Vibrationsverschiebung und Bruch Symmetrie bei Wärmeausdehnung!

Hinweis: Ich werde diese Antwort bald aktualisieren, sobald ich Zugriff auf einige SPIE-Papiere bekomme.

Steifheit

Raumfahrzeuge und sogar Weltraumteleskope enthalten viele aktive Vibrationsquellen. Pumpen, Ventile, Kühlschränke, Triebwerke, Reaktionsräder, Aktuatoren (JWST hat einen beweglichen Solarreflektor zum Trimmen des Strahlungsdrucks), bewegliche Antennen und Sonnenkollektoren (zumindest Hubble, nicht sicher über JWST, wird es überprüfen ...) und sogar die wissenschaftlichen Nutzlasten kann bewegliche Spiegel oder Fokussierungsmechanismen aufweisen.

Eine Halterung mit drei Leitschaufeln bietet wesentlich mehr Steifigkeit gegenüber einer Bewegung in der Ebene, da die Biegung einer Leitschaufel zu Spannung und Kompression in den anderen beiden Leitschaufeln führen würde.

Für eine einzelne Schaufel; Sie haben eine Masse am Ende eines Stocks. Mein erstes Teleskop war ein Edmund 4¼ Zoll Newton mit einem großen rechtwinkligen Glasprisma am Ende eines Metallstabs. Man könnte oben auf die Röhre tippen und das Ding würde klingeln und das Bild verschwommen machen.

Drei Flügel im Vergleich zu einem helfen auch bei axialen Schwingungen (in Richtung / weg von der Primärseite), aber nicht so stark wie bei Querschwingungen, aber kleine Querschwingungen sind viel schlimmer als kleine axiale Schwingungen , da die Sekundärseite gekrümmt ist. Bewegen Sie es seitwärts und das Bild gleitet über die Bildsensoren hin und her und verschwimmt über die Pixel. Zehn Mikrometer seitliche Bewegung des Bildes zerstören die Auflösung.

Bei einer langen Brennweite und einem hohen Blendenwert würden jedoch zig Mikrometer Axialbewegung kaum einen Unterschied im Fokus machen. System.

Symmetrie bei Wärmeausdehnung

Mit dem riesigen mehrschichtigen Sonnenschutz zeigt JWST große Anstrengungen, um die Temperatur der gesamten Optik und des Detektorsystems sehr niedrig zu halten, damit sie keine thermische Infrarotstrahlung beitragen und die Sensoren ein geringes thermisches Rauschen aufweisen.

Allerdings möchte man auch die großen Strukturelemente so thermisch stabil wie möglich halten, um Drift in Fokus und Position des Bildes zu minimieren. Eine Spinne mit drei Leitschaufeln bietet ein gewisses Maß an seitlicher Symmetrie, und bei Temperaturänderungen kann sie die seitliche Drift verringern, verglichen mit einer einzelnen Leitschaufel, bei der die Expansion-Kontraktion offensichtlich nur dazu führen würde, dass sich die Sekundärseite entlang der Leitschaufel hin und her bewegt Achse.

Beugung, PSF und Hubble

Das Hubble-Weltraumteleskop leidet zwar unter Beugungseffekten seiner vier Flügel sowie seiner riesigen Sekundär- und drei Spiegeldurchgangslöcher für die Montage , aber ein großer Aufwand bei der Verwaltung der Punktverteilungsfunktion des HST (z. B. "optische Modellierung mit Tiny Tim") ) scheint damit gut umzugehen.

Aus dieser Antwort in Photography SE:

(siehe auch) @scottbbs (ausgezeichnete) Antwort ... Für die wissenschaftliche Analyse von Bildern von Hubble muss man alle Aberrationen, Beugungen und Pixelbildung berücksichtigen. Dazu gibt es einen schönen Bericht: 20 Jahre optische Modellierung des Hubble-Weltraumteleskops mit Tiny Tim .

Schaufelnummer

Es ist wichtig zu beachten, dass WFIRST in die andere Richtung gegangen ist und sechs Schaufeln hatte!

Aus der Einführung in WebbPSF für WFIRST :

Point Spread Function von JWST - vergessen Sie nicht die segmentierte Primärseite!

Das folgende Bild ist aus dem Zusammenhang gerissen (im Moment, ich werde es später heute abrufen) aus dem Paywall-Papier von 2014 SPIE Updated point spread function simulations for JWST with WebbPSF . In Anbetracht der Tatsache, dass der Primärspiegel quer zur ankommenden Wellenfront eine viel größere Gesamt-„Beugungskante“ aufweist als die drei Flügel des Sekundärspiegels, ist es möglich oder sogar wahrscheinlich, dass der Beitrag der Spinne selbst mit drei Flügeln im Vergleich zu dem aus der Segmentierung des Primärspiegels gering ist.

Ab webbpsf Documentation Release 0.8.0 (zum Vergrößern anklicken)

Abb. 1: Beispiel-PSFs für die Instrumentensuite von JWST, alle auf derselben Winkelskala und Anzeigedehnung.

Fazit

Mit anderen Worten, die Verwendung eines Flügels bietet möglicherweise keinen Vorteil gegenüber drei Flügeln, da der Primärspiegel bereits so stark segmentiert und "kantig" ist, und er bietet sicherlich viele mechanische Nachteile in Bezug auf die Steifigkeit gegen seitliche Schwingungsübertragung und das Brechen der Symmetrie bei Wärmeausdehnung!