Warum sind Off-Axis-Spiegelteleskope für Weltraumteleskope nicht beliebter? Gab es jemals welche?

tl;dr: Es ist mir noch nicht 100% klar, was all die optischen Kompromisse zwischen On-Axis- und Off-Axis-TMAs sind (siehe unten), aber ein Teil des Grundes könnte … Politik sein ? Beachten Sie, dass ich einen Hinweis auf ein außeraxiales Teleskop im Weltraum gefunden habe (siehe unten):

...das Landsat Data Continuity Mission/Operational Land Imager (LDCM/OLI) Instrument ist ein unverdecktes Vier-Spiegel-System mit weitem Sichtfeld und es wurde berichtet, dass es keine Probleme oder Verzögerungen während der Herstellung und Ausrichtung hat

Siehe auch

• Warum ist das Sichtfeld des römischen Weltraumteleskops Nancy Grace wie ein PacMan-„Geist“ geformt?

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Aus Wikipedias römischem Weltraumteleskop Nancy Grace; Geschichte und Status der Finanzierung :

Missionsentwicklung

Das ursprüngliche Design von Roman mit dem Namen WFIRST Design Reference Mission 1 wurde 2011–2012 untersucht und enthielt ein ungehindertes Anastigmat-Teleskop mit drei Spiegeln und einem Durchmesser von 1,3 m (4,3 Fuß). ¹³ Es enthielt ein einziges Instrument, ein Spektrometer mit sichtbarem bis nahem Infrarot-Bildwandler und schlitzlosem Prisma.

Im Jahr 2012 tauchte eine weitere Möglichkeit auf: Die NASA könnte ein gebrauchtes Teleskop des National Reconnaissance Office (NRO) der Harris Corporation verwenden, um eine Mission wie die für Roman geplante durchzuführen. NRO bot an, zwei Teleskope zu spenden, die dieselbe Größe wie das Hubble-Weltraumteleskop haben, jedoch eine kürzere Brennweite und daher ein breiteres Sichtfeld haben. ¹⁴ Dies gab dem Projekt einen wichtigen politischen Impuls , obwohl das Teleskop nur einen bescheidenen Bruchteil der Kosten der Mission ausmacht und die Randbedingungen des NRO-Designs die Gesamtkosten möglicherweise über die eines neuen Designs hinaustreiben.

¹³ Greenet al. (2012) Abschlussbericht des Wide-Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST).

¹⁴ New York Times (4. Juni 2012) Ex-Spionageteleskop erhält möglicherweise eine neue Identität als Weltraumforscher (manchmal kostenpflichtig?)

Was (zum Teufel) ist ein Drei-Spiegel-Anastigmat?

Für ein enges Sichtfeld, wie wenn wir einen Planeten durch ein Teleskop mit fokussiertem Licht von einem Objekt auf den Schlitz eines Spektrographen betrachten, ist ein normales Teleskopdesign auf der Achse in Ordnung.

So funktioniert Hubble, es ist ein Standard- Ritchey-Chrétien-Teleskop :

Ein Ritchey-Chrétien-Teleskop (RCT oder einfach RC) ist eine spezialisierte Variante des Cassegrain-Teleskops mit einem hyperbolischen Primärspiegel und einem hyperbolischen Sekundärspiegel, die optische Fehler außerhalb der Achse (Koma) beseitigen sollen. Das RCT hat im Vergleich zu einer traditionelleren Spiegelteleskopkonfiguration ein breiteres Sichtfeld, das frei von optischen Fehlern ist. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts sind die meisten großen professionellen Forschungsteleskope Ritchey-Chrétien-Konfigurationen; Einige bekannte Beispiele sind das Hubble-Weltraumteleskop, die Keck-Teleskope und das ESO Very Large Telescope.

Anscheinend ist dieses Design jetzt "alt und kaputt" und das Three Mirror Anastigmat ist die "neue Schärfe".

Ein Anastigmat mit drei Spiegeln ist ein Anastigmat-Teleskop, das aus drei gekrümmten Spiegeln besteht, wodurch alle drei wesentlichen optischen Aberrationen – sphärische Aberration, Koma und Astigmatismus – minimiert werden können. Dies wird hauptsächlich verwendet, um große Sichtfelder zu ermöglichen, die viel größer sind als dies bei Teleskopen mit nur einer oder zwei gekrümmten Oberflächen möglich ist.

Ein Teleskop mit nur einem gekrümmten Spiegel, wie z. B. ein Newton-Teleskop, wird immer Aberrationen haben. Wenn der Spiegel sphärisch ist, leidet er an sphärischer Aberration. Wenn der Spiegel parabolisch gemacht wird, um die sphärische Aberration zu korrigieren, dann muss er notwendigerweise an Koma und außeraxialem Astigmatismus leiden. Mit zwei gekrümmten Spiegeln, wie dem Ritchey-Chrétien-Teleskop, kann auch Koma minimiert werden. Dies ermöglicht ein größeres nützliches Sichtfeld, und der verbleibende Astigmatismus ist symmetrisch um die verzerrten Objekte herum, was Astrometrie über das weite Sichtfeld ermöglicht.Der Astigmatismus kann jedoch reduziert werden, indem ein drittes gekrümmtes optisches Element hinzugefügt wird. Wenn dieses Element ein Spiegel ist, ist das Ergebnis ein Anastigmat mit drei Spiegeln. In der Praxis kann das Design auch eine beliebige Anzahl von flachen Faltspiegeln umfassen, die verwendet werden, um den optischen Weg in bequemere Konfigurationen zu biegen.

Diese gibt es sowohl in On-Axis- als auch in Off-Axis-Varianten!

On-axis Drei-Spiegel-Anastigmat

Der Lichtweg und die Spiegel eines Paul-Baker-Teleskops, ein Beispiel für ein Anastigmat mit drei Spiegeln. https://www.ast.cam.ac.uk/about/three-mirror.telescope

Quelle

Aus Three Mirror Anastigmat:

Beispiele

• Das James-Webb-Weltraumteleskop ist ein Drei-Spiegel-Anastigmat mit einem ellipsoidischen Primärteil, einem hyperboloidischen Sekundärteil und einem ellipsoidischen Tertiärteil. ⁶
• Die Euclid-Mission wird ein Korsch-Teleskop verwenden.
• Das „ Cambridge University Three-Mirror Telescope “. Das Projekt umfasst ein 1985 gebautes 100-mm-Arbeitsmodell und einen 1986 gebauten 500-mm-Prototyp.
• Das Teleskop des Vera C. Rubin-Observatoriums (früher bekannt als Large Synoptic Survey Telescope) ist ein modifiziertes Anastigmat mit drei Spiegeln im Paul-Baker-Design.
• Die KH-11 Kennen-Teleskope (oder vielleicht die jetzt stornierten Future Imagery Architecture )-Teleskope könnten ein Drei-Spiegel-Anastigmat sein, da die Ersatzteleskope, die das National Reconnaissance Office der NASA gegeben hat, von dieser Form sind.
• Das Extremely Large Telescope wird ein Drei-Spiegel-Anastigmat-Design mit zwei zusätzlichen flachen Faltspiegeln sein.
• Die Erdbeobachtungssatelliten Deimos‑2 und DubaiSat‑2 tragen beide ein Anastigmat-Teleskop im Korsch-Design mit drei Spiegeln. ^7,8
• Ralph Imaging-Spektrometer auf der Raumsonde New Horizons
• Das römische Weltraumteleskop Nancy Grace , früher Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) genannt, verwendet ein gefaltetes Anastigmat mit drei Spiegeln, das einen ellipsoidischen Primärspiegel, einen hyperboloidförmigen Sekundärspiegel und einen ellipsoidförmigen Tertiärspiegel aufweist. ⁹ Ein früheres Design verwendete ein außeraxiales Anastigmat mit drei Spiegeln. ¹⁰

⁶ „Optisches Design und Analyse des James-Webb-Weltraumteleskops: Optisches Teleskopelement“ (Paywalled)

⁷ DEIMOS-2: kostengünstige multispektrale Bilder mit sehr hoher Auflösung (Paywalled Conference Proceedings) Viewable Abstract )

⁸ „Technische Daten von DubaiSat 2“ (defekter Link)

⁹ Optisches Design und prognostizierte Leistung der WFIRST-Phase-b-Bildgebungsoptik und des Weitfeldinstruments (mit Paywall versehen, aber lesbar bei Researchgate und NASA NTRS )

¹⁰ Optical Design Trade Study for the Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) (auch nachlesbar in Researchgate )

Und so hätte das Off-Axis-TMI ausgesehen:

Aus der Optical Design Trade Study 2012 für das Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), bevor sie das bestehende Spionageteleskop auf der Achse akzeptierten:

4.1 IDRM-Beschreibung

Die wichtigste Änderung von JDEM-Omega ist der Wechsel zu einer nicht verdeckten Teleskopform. Die Vorteile dieser Form für die Wissenschaft der Dunklen Energie wurden zuvor aufgezeigt (16-18), beinhalten aber eine verbesserte MTF, da die große zentrale Verdunkelung für Streulicht-Ablenkbleche (JDEM-Omega hatte eine 50%ige lineare Verdunkelung) nicht benötigt wird, verbesserte Empfindlichkeit aufgrund des fehlenden Flächenverlusts und Erhöhung der Flexibilität im Design aufgrund der Aperturvorspannung, die auf natürlichere Weise einen Strahlabstand ermöglicht. Ein Vorteil des uTMA gegenüber dem Drei-Spiegel-System ohne Zwischenfokus ist die Streulichtreduzierung, die durch die Platzierung einer Feldblende am Zwischenfokus möglich ist, wodurch das in das Instrumentenvolumen eintretende Streulicht begrenzt wird. Zu den Nachteilen der nicht verdeckten Form gehören ein größeres Gesamtverpackungsvolumen des Teleskops, etwas engere Ausrichtungstoleranzen, und möglicherweise schwierigere Herstellung und Ausrichtung des Spiegels. Wir waren der Meinung, dass dieser letzte Punkt oft überbewertet wird, wenn Verbesserungen bei der Spiegelherstellung und den Ausrichtungswerkzeugen berücksichtigt werden.Das Landsat Data Continuity Mission/Operational Land Imager (LDCM/OLI)-Instrument ist beispielsweise ein unverdecktes Vier-Spiegel-System mit weitem Sichtfeld, und es wurde berichtet, dass es keine Probleme oder Verzögerungen während der Herstellung und Ausrichtung gibt ¹⁹

¹⁹ Optische Leistung des OLI-Teleskops nach der Ausrichtung (Paywall)

Was hätte sein können (freie Blende):

• Wide-Field InfraRed Survey Telescope WFIRST Abschlussbericht; Wissenschaftsdefinitionsteam (9 MB)

Abbildung 48: Optische Strahlverfolgung der DRM2-Nutzlast

Was ist (sechs Schaufeln plus zentrales Hindernis):

• Wide-Field InfraRed Survey Telescope-Astrophysics Focused Telescope Assets WFIRST-AFTA-Abschlussbericht (49 MB)

Abbildung 3-4: Die Teleskopkomponenten ohne die äußere Tubusbaugruppe.

Abbildung 3-5: Die Eintrittspupille des Teleskops