Первоначально уголковый отражатель применялся как предупредительное устройство в велосипедах, автомобилях, на дорожных указателях под названием «катафоты». Конструкция уголкового отражателя может представлять собой прямую треугольную призму с двумя взаимно перпендикулярными боковыми гранями, покрытыми светоотражающим материалом (зеркалом). Такой отражатель «обращает» лучи, расположенные в одной плоскости, перпендикулярно ребру двугранного угла. Благодаря этому катафот кажется светящимся [1–3]. На рис. 1 схематично показано, как луч, падающий на вертикальное зеркало, отражается от горизонтального зеркала. Графический расчет уголкового отражателя с использованием ортогонального проецирования подробно иллюстрирует его принцип действия (рис. 2) [4].
Рис. 1. Схема двухгранного уголкового отражателя
Рис. 2. Графический расчет двухгранного уголкового отражателя
Уголковые отражатели с тремя взаимно перпендикулярными гранями также меняют направление падающего луча на противоположное, отражаясь последовательно от трех граней-зеркал. В отличие от уголкового отражателя с двумя отражающими гранями отраженный луч трехгранного отражателя не лежит в плоскости, перпендикулярной одному ребру отражателя.
Луч, попадая на систему трех взаимно перпендикулярных зеркал, отражается от последнего зеркала в параллельном направлении и строго в обратном противоположном направлении (рис. 3) [5].
Рис. 3. Схема трехгранного уголкового отражателя
На рис. 3 (а) (схематично) и (б) показано, как луч, падающий на два вертикальных зеркала, окончательно отражается от горизонтального зеркала. Графический расчет уголкового отражателя с использованием ортогонального проецирования подробно иллюстрирует его принцип действия (рис. 4).
Рис. 4. Графический расчет трехгранного уголкового отражателя
Двухгранные уголковые отражатели используются в радиолокации, например бакенах, буйках, на опорах мостов, судах и спасательных шлюпках для подачи сигнала радиолокаторам судов. Отражатели радиоволн имеют такую же конструкцию, как оптические, но сделаны из металла, являющегося зеркалом для радиоволн. Радиолокационные волны попадают на восемь уголковых отражателей (так называемый восьмиуголковый отражатель), размещенных в форме октаэдра (рис. 5). Если уголковые отражатели прикрепить к метеорологическим шарам-зондам, то возможно определить направление и скорость ветра на большой высоте.
Рис. 5. Восьмиуголковый отражатель
В последние годы уголковые отражатели нашли применение в космических исследованиях [6]. Удается с большой точностью лазерным лучом определять расстояние от Земли до искусственного спутника или космического корабля с помощью находящегося на борту отражателя. Космический корабль Аполлон II (1969 г. США) доставил на Луну уголковый отражатель, а буквально через год уголковый отражатель был установлен на автоматическом самоходном аппарате «Луноход», запущенном на Луну Советским Союзом [7].
Уголковый отражатель на «Луноходе» представлял собой систему из 14 стеклянных четырехгранных пирамид (каждая представляла собой «отрезанный» плоскостью угол куба со стороной 9 см), размещенных в одной термоизолированной коробке так, что наклонные их грани были открыты для поступления лазерного луча [8, 9].
В настоящее время разработаны устройства, предназначенные для повышения точности калибровки радиолокационных станций (РЛС) [10–12]. Для этого на орбиту искусственного спутника Земли запускается мини-спутник с уголковым отражателем-эталоном, который выполнен в виде двух плоских радиоотражающих шарнирно связанных граней, развернутых под фиксированным углом [13–15].
Таким образом, все большее проникновение исследователей в глубины космического пространства невозможно без совершенствования средств наблюдения с Земли с использованием оптических устройств, в том числе и уголковых отражателей. Представленные в статье примеры графического расчета уголковых отражателей наглядно демонстрируют первостепенную роль геометрии в конструкторской деятельности инженера.