Эта книга предназначена для любителей астрономии, решивших построить себе достаточно мощный телескоп. Может быть, с точки зрения начинающих любителей телескопостроения, она несколько перегружена подробностями. Это происходит от того, что автор стремился предусмотреть различные неожиданности, подстерегающие любителя на пути изготовления телескопа. С другой стороны, зная, как эти подробности отпугивают начинающих, еще плохо ориентирующихся в технологии изготовления оптических деталей, автор сознательно избегал описания огромного разнообразия методов шлифовки, полировки и испытаний астрономической оптики, разработанных в последнее время и приспособленных к условиям любителей. Вместо этого он пытался отобрать лишь то, что совершенно явно доступно любителю. При этом автор стремился не повторять прекрасную, но, увы, постепенно стареющую книгу М. С. Навашина "'Tелеcкоп астронома-любителя". Читатель, который найдет технологию, описанную в настоящей книге, неприемлемой для себя, сможет обратиться к книге М. С. Навашина, которая в последние годы переиздавалась несколько раз.
Постараться обойтись минимумом математики - это вторая задача автора. Мы построим сравнительно простой телескоп и поэтому математики и вообще теории телескопа будет ровно столько, сколько нужно для того, чтобы действовать осознанно, и только. Автор полагает, что теория телескопа должна быть изложена и понята "на пальцах", и поэтому в книге описывается много опытов и приводятся рисунки, которые поясняют действие телескопа и его отдельных узлов.
Все, о чем рассказывается в книге, многократно проверено не только самим автором, но и школьниками и взрослыми -- членами Новосибирского клуба любительского телескопостроения им. Д, Д. Максутова. Чаще же всего описаны методы, применяемые уже на протяжении десятилетий, но по различным причинам не включенные в книгу М. С. Навашина и в многочисленные руководства, рассеянные по периодическим изданиям.
Первые две части книги посвящены изготовлению оптических и механических деталей телескопа, третья часть--постройке некоторых специальных телескопов и инструментов, которые могут значительно расширить, наблюдательные возможности любителя и стать прекрасной базой для обсерватории коллектива любителей.
Автор выражает глубокую благодарность канд. физ.-мат. наук Н. Н. Михельсону, старшему научному сотруднику А. С. Фомину, канд. физ.-мат. наук Г. С. Хромову, а также М. М. Шемякину и Г. С. Шуваеву за ряд ценных замечаний и предложений, сделанных при прочтении рукописи книги.
Л. Л. Сикорук
Когда Галилео Галилей приступил к постройке своего первого телескопа, едва ли он отдавал себе отчет в том, что, еще не сделав своих великих астрономических открытий, он уже открыл эру любительского телескопостроения. Не зная тщательно охраняемых профессиональных секретов изготовления зрительных труб, незадолго до этого изобретенных в Голландии, Галилей со свойственным ему энтузиазмом и энергией
Галилео Галилей (1564--1642) с одним из своих телескопов.
взялся за решение этой задачи. (Позже любители не раз будут решать задачи, перед которыми профессионалы останавливались в раздумье.) Таким образом, эра любительского телескопостроения начинает отсчет с конца 1609 г.
Еще одно важное событие в истории любительского телескопостроения произошло в 1668 г, когда физик-теоретик по профессии, Президент Лондонского Королевского общества по должности, сэр Исаак Ньютон собственноручно построил зеркальный телескоп. Если оптическую схему своего телескопа он предложил, как мы теперь сказали бы, в рамках своих обязанностей, то в остальном Ньютон был безусловно любителем. Он не только удовлетворил свое собственное любопытство, но, что гораздо важнее, подарил любителям всего мира самый популярный у них теперь телескоп. Это обстоятельство роднит его с лучшими представителями любительского телескопостроения всех времен.
Нас поражает беспримерный подвиг музыканта Уильяма Гершеля, отшлифовавшего за свою долгую жизнь больше ста зеркал и придумавшего новый
тип телескопа, увы, не подозревая о том, что этот телескоп уже был предложен сначала Н. Цукки, а не сколько позже М. Ломоносовым. Пивовар У. Лассель лорд Росс, полярный исследователь и художник Р. Портер, художник и журналист А. А. Чикин, инженер Л. Коумон н многие другие, будучи любителями, достигли таких вершин, что стали каждый для своего времени ведущими специалистами.
Следуя этим примерам, читатель может смело приступать к делу, не сомневаясь в благополучном исходе. Надо только сказать, что прежде чем заняться изготовлением телескопа, необходимо прочитать раздел "Немного о технике безопасности" в Приложениях.
Рис. 1. Телескоп системы Ньютона. 1 -- главное зеркало, 2 -- диагональное зеркало, 3 -- окуляр. f' -- главный фокус зеркала, f1 -- "ньютоновский" фокус телескопа, совпадающий с передним фокусом окуляра.
Нам предстоит построить зеркальный телескоп, или телескоп-рефлектор системы Ньютона. На рис. 1 приведена оптическая схема этого телескопа. Параллельный пучок света от звезды падает на вогнутое главное зеркало телескопа 1. Отразившись от него, пучок света становится сходящимся и собирается в точке f/, которая называется фокусом зеркала. Здесь образуется изображение звезды. Пучки света от других звезд собираются каждый в своем фокусе, и эти изображения располагаются на фокальной поверхности.
Для удобства наблюдений недалеко от фокальной поверхности установлено плоское вспомогательное зеркало 2, которое отклоняет пучок света в сторону, где помещают окуляр 3, в который рассматривают изображение.
Почему мы будем строить зеркальный телескоп, а не линзовый? Во-первых, потому, что зеркало дает изображения лучшего качества, чем линзовый объектив. Во-вторых, для того чтобы построить линзовый объектив, надо отшлифовать, четыре поверхности двух линз из двух строго определенных сортов стекла, тогда как для изготовления зеркала достаточно отшлифовать одну поверхность. В-третьих, для линз требуется стекло повышенной оптической однородности, а для зеркала оно может быть и с пузырьками и свилями и некоторыми другими дефектами, совершенно недопустимыми в случае линзы. В-четвертых, для контроля формы поверхности зеркала есть простой и надежный способ, позволяющий видеть ошибки поверхности около 0,01 мкм, а для линз такого способа нет. Итак, зеркало проще в изготовлении, оно дешевле и дает лучшие результаты, что же еще надо!
Прежде всего, изготовим вогнутое зеркало, которое выполняет роль объектива телескопа. Для того чтобы придать зеркалу необходимую кривизну, мы воспользуемся шлифовальником в виде металлического кольца, отрезанного от куска толстостенной водопроводной трубы. Кроме того, потребуется грубый наждачный порошок, которым будет вестись обдирка -- придание заготовке нужной формы. Двигая с давлением шлифовальник по стеклянной заготовке, на которую насыпан
Мокрый порошок, мы одновременно поворачиваем столик, на котором укреплена заготовка зеркала. Это нужно для того, чтобы шлифовка шла по всем направлениям равномерно. Через час-полтора мы достигнем того, что на зеркале появится нужное нам углубление, и теперь наша задача -- убрать грубые неровности, оставшиеся на зеркале после обдирки. Эту операцию мы выполним с помощью пластмассового шлифовальника и тонкого микропорошка.
Переходя постепенно от относительно грубых микропорошков ко все более тонким, мы подготовим зеркало к полировке.
Полировку ведут с помощью тончайшего порошка-- крокуса или, лучше, полирита. Теперь шлифовальник должен быть покрыт слоем полировочной смолы, которая состоит из обычного битума с почти равным количеством канифоли. Полировочная смола относительно текуча, и это поможет воздействовать на форму полировальника так, что сравнительно грубая поверхность в начале полировки к концу этого процесса станет совершенно точной сферой.
Рис. 2. Простейший теневой прибор, которым можно пользоваться на первых порах. (Кадр из фильма "Телескопы".)
Для того чтобы испытывать форму зеркала, нам придется построить несложное устройство -- теневой прибор (рис. 2), этот прибор в простейшем виде состоит из батарейки для карманного фонаря, лампочки и лезвия бритвы, но позволяет видеть ошибки на поверхности зеркала в 0,05 мкм, чаще же удается получить зеркало с еще большей точностью, хотя качество изображения наблюдаемых объектов от этого уже и не улучшится. Дело в том, что существует определенный предел точности, после которого изображение остается одинаково совершенным. Этот предел равен для зеркала 1/8 длины волны света. Для средней части солнечного спектра, к которой более всего чувствителен человеческий глаз, длина волны равна 0,00056 мм или 0,56 мкм. 1/8 часть этой величины составит 0,07 мкм, Если ошибки ("ямы", "бугры") на поверхности зеркала превышают эту величину, они портят изображение, если не превышают, изображение становится идеальным, и дальнейшее совершенствование зеркала не улучшит качества изображения. Мы добьемся того, чтобы наше зеркало стало идеальным.
Рис. 3. Телескоп системы Ньютона на "чикинской доске". Бленда, надеваемая на верхний, окулярный конец телескопа, стоит на полу.
Телескоп системы Ньютона (рис. 3), который предстоит нам построить, кроме главного вогнутого зеркала, имеет дополнительное вспомогательное зеркало (2 на рис. 1) или призму. Если мы не сможем найти подходящее оптически точное зеркало или призму, то это зеркало придется также изготовить самим. Это не сложнее, чем изготовить главное зеркало. В том случае, если не удастся подобрать готовый окуляр, а лучше несколько окуляров различной силы, придется сделать и несколько мелких линз.
Все дальнейшее -- токарные, слесарные работы, работа с папье-маше и т. п.-- не вызовет принципиальных трудностей.
Возьмем положительную (увеличивающую) линзу и попытаемся с ее помощью получить изображение большого светлого предмета, например окна днем. Для этого будем приближать или удалять линзу от противоположной стены, пока на ней не появится резкое перевернутое "вверх ногами" изображение окна. Возьмем вторую линзу с другим увеличением и, построив с ее помощью изображение того же окна, обратим внимание на то, что, во-первых, расстояние между линзами и стеной различно. Во-вторых, та линза, которая расположена дальше от стены, дает изображение большего размера.
Расстояние от линзы до стены, когда на ней видно резкое изображение достаточно удаленного предмета (для этого лучше всего использовать Солнце), называется фокусным расстоянием линзы. Мы теперь знаем,
Рис. 4. Схема телескопа-рефрактора.
1 -- объектив, 2 -- окуляр, 3 -- матовое стекло, которое в реальных телескопах отсутствует.
что для того, чтобы изображение предмета, построенного линзой, было большим, надо взять линзу с большим фокусным расстоянием (длиннофокусную).
Теперь возьмем короткофокусную линзу. Определим ее фокусное расстояние и попробуем рассматривать в нее какие-нибудь предметы, расположив саму линзу как можно ближе к глазу. Если у нас есть несколько короткофокусных линз, то мы обратим внимание на то, что большее увеличение дает та, у которой фокусное расстояние меньше.
Спроецируем с помощью длиннофокусной линзы изображение объекта на кусочек матового стекла или кальки и добьемся резкости. Теперь с противоположной от линзы стороны станем рассматривать изображение на кальке с помощью сильной, короткофокусной линзы (рис. 4). Мы увидим увеличенное изображение, которому будут мешать крапинки на кальке или стекле. Уберем кусок кальки, не меняя расстояние между линзами. Мы ясно увидим наш предмет. Его изображение теперь располагается не на кальке, а в воздухе, и мы его рассматриваем с помощью второй короткофокусной линзы, которая выполняет роль лупы. Первая длиннофокусная линза -- это объектив телескопа, вторая линза, лупа, называется окуляром.
В качестве объектива можно воспользоваться очковым стеклом в +1 -- +2 диоптрии, насадочной линзой к фотоаппарату или, если повезет, объективом от старой подзорной трубы, теодолита и т. п. В качестве окуляра можно использовать лупу, объектив от фотоаппарата, объектив от микроскопа, окуляр от микроскопа или зрительной трубы.
4. КАК ТОЧНО ОПРЕДЕЛИТЬ ФОКУСНОЕ РАССТОЯНИЕ ОБЪЕКТИВА И ОКУЛЯРА?
Если мы используем очковое стекло или насадочную линзу к фотоаппарату, можно легко перевести оптическую силу, выражаемую в диоптриях, в фокусное расстояние линзы. Для этого надо 1000 мм разделить на оптическую силу в диоптриях. Например, оптическая сила линзы равна +2 диоптриям. Делим 1000 на 2, получаем 500 мм. Это и есть фокусное расстояние линзы.
В тех случаях, когда оптическая сила линзы неизвестна, ее фокусное расстояние определим, измеряя расстояние от линзы до изображения предмета на бумаге. Отметим еще раз, что фокусное расстояние длиннофокусной линзы можно определить только по очень удаленным предметам.
Если в качестве окуляра применена одиночная линза, ее фокусное расстояние мы определим подобно тому, как определяли его у объектива. Чаще, однако, приходится использовать сложную систему линз: фотообъектив, окуляр микроскопа и т. п., у которых фокусное расстояние отмеряется от так называемых главных плоскостей (рис. 5), положение которых мы не знаем. Воспользуемся тем, что фокусное расстояние линзы или системы линз пропорционально масштабу изображения, даваемому линзой. Станем с окуляров у стены против окна. Изображение окна, построенное окуляром, спроецируем на миллиметровку или на лист из тетради в клеточку. Хорошо сфокусируем изображение и заметим ширину b изображения окна на миллиметровке. Теперь измерим ширину В настоящего окна и расстояние до окна от окуляра (рис. 6). По формуле
можно определить фокусное расстояние f ` окуляра
Рис. 5. Преломление луча на линзе в прямом (слева направо) и в обратном ходе.
Если упавший и вышедший из линзы лучи продолжить до взаимного пересечения, они пересекутся на одной из главных плоскостей (H и H') линзы. Фокусные расстояния измеряются от второй по ходу луча плоскости до точки фокуса. Оба фокусных расстояния любой линзы или системы равны между собой.
(здесь L -- расстояние от окуляра до окна). Хотя объект сейчас не в бесконечности, мы можем использовать это значение фокусного расстояния, так как для короткофокусных линз расстояние в несколько метров можно считать бесконечным. Во всяком случае, если расстояние до окна 4--6 метров, ошибкой в определении фокусного расстояния окуляра можно пренебречь.
Часто увеличение окуляра обозначено на его оправе. Само по себе оно нас не интересует, но по нему можно определить фокусное расстояние. Для этого надо разделить 250 мм (расстояние ясного видения) на увеличение окуляра. Например, при увеличении, равном 12,5х, фокусное расстояние равно 20 мм. В тех случаях, когда мы имеем дело с объективом от микроскопа, можно определить фокусное расстояние по увеличению объектива, которое указывается на оправе. Для этого надо 160 мм разделить на увеличение
Рис. 6. Определение фокусного расстояния сложной оптической системы.
микрообъектива. Например, увеличение микрообъектива равно 20 раз, значит, его фокусное расстояние 8 мм *).
*) 160 мм--это длина трубки микроскопа. Эта длина характерна для большинства микроскопов. Однако попадаются микроскопы и с другой длиной трубки, например 190 мм. В этом случае, чтобы узнать фокусное расстояние, надо 190 делить на увеличение объектива.
Существует простая формула, по которой легко определить увеличение телескопа,
где f ' -- фокусное расстояние объектива. ф -- фокусное расстояние окуляра. Практически это значит, что чем больше фокусное расстояние объектива и чем меньше фокусное расстояние окуляра, тем больше увеличение телескопа.
Как выбрать увеличение телескопа? Конечно, каждый старается "выжать" из телескопа все, что тот может. На первый взгляд достаточно иметь объектив с большим фокусным расстоянием, а окуляр с крошечным, и мы получим какое угодно большое увеличение. На деле это не так. Линза нашего телескопа страдает различными недостатками -- аберрациями. Из-за своего несовершенства она вносит ошибки и искажения в изображение предметов. Лучше всего заметна так называемая хроматическая аберрация, которая приводит к тому, что изображения звезд окружены цветными ореолами, а изображение Луны -- радужной каймой. Этот недостаток можно уменьшить, если задиафрагмировать объектив. В случае очкового стекла с фокусным расстоянием 500 мм отверстие в картонном кружочке, который мы установим прямо перед объективом, должно иметь диаметр около 10 мм. Для объектива с фокусным расстоянием 1000 мм это отверстие можно увеличить до 45--20 мм. Можно также вести наблюдение через цветной светофильтр -- это помогает значительно уменьшить влияние хроматической аберрации.
Ну, а если наш объектив идеален с точки зрения аберраций? Тогда предельное увеличение телескопа равно диаметру объектива в миллиметрах, умноженному на 1,4. Объектив диаметром 40 мм может датъ увеличение около 60 раз, но не больше, так как при дальнейшем повышение увеличения телескопа становится заметной волновая природа света. В результате даже идеальный объектив покажет вместо звезды кружок, окруженный одним или двумя радужными колечками (рис. 7).
Рис. 7. Микрофотографии двух отверстий в фольге, сделанных иглой и освещенных сзади (а). Изображения этих отверстий, построенные идеальным объективом с довольно большого расстояния (б). Применение еще большего увеличения не покажет реальной формы отверстий.
Повышая увеличение телескопа, мы заметим, что при больших увеличениях поле зрения телескопа становится маленьким, а яркость изображения падает. Потому в тех случаях, когда требуется большое поле зрения или большая яркость, применяют маленькие увеличения. Минимальное увеличение телескопа определяется делением диаметра объектива на 6 (см. Ї 34). Для того же 40-миллиметрового объектива минимальное увеличение равно примерно 7.
Телескоп с очковым стеклом вместо объектива позволит получить увеличение около 25--30 раз. С таким увеличением можно видеть пятна на Солнце *), горы на Луне, спутники Юпитера, кольцо Сатурна и т. д.
*) Смотреть в телескоп на Солнце можно только через темный светофильтр, вроде тех, что применяются при электросварке. Подробнее об этом см. Ї62.
Хотя телескоп из очкового стекла вместо объектива инструмент маломощный, все-таки хорошо его построить, чтобы на практике уяснить многие детали, которые непрерывно будут встречаться и в работе над телескопом-рефлектором. Для этого очковую линзу (объектив) и окуляр нужно вставить в две трубки подходящего диаметра. Трубки с трением должны входить одна в другую. Чтобы линзы не вываливались, их нужно поместить между вклеенными в трубки картонными кольцами. Расстояние между объективом и окуляром равно сумме их фокусных расстояний. Направляя телескоп на далекий предмет, слегка вдвигаем или выдвигаем окулярную трубку, добиваясь резкого изображения.
Чему равно поле зрения телескопа? Оно зависит от так называемого субъективного поля зрения окуляра и увеличения телескопа и равно
где W -- поле зрения телескопа в угловой мере, w -- субъективное поле зрения окуляра, Г -- увеличение телескопа.
Поле зрения окуляра можно грубо определить следующим образом. Направим окуляр на светлое небо, глядя одним глазом в окуляр, а вторым прямо на небо, совместим нижнюю границу поля зрения с горизонтом и грубо оценим, на сколько градусов поднимается над горизонтом верхняя граница.
Прежде всего потребуется стеклянная заготовка. Перечислим главные требования, которым она должна отвечать.
Стекло заготовки не должно иметь внутренних напряжений и должно быть хорошо отожжено. Поэтому совершенно не годятся закаленные стекла, которые довольно часто встречаются в виде круглых дисков. На этих дисках есть пометка "закалено" или "сталинит".
Второе условие заключается в том, чтобы заготовка имела достаточную толщину. Это нужно потому, что тонкая заготовка под действием собственного веса будет прогибатъся. Хотя величина прогиба и невелика, но если она превышает 0.00007 мм, это может сказаться на качестве изображения. В табл. 1 приводится минимальная толщина заготовок для зеркал различных диаметров.
Т а б л и ц а 1
|
Диаметр заготовки, мм |
80 |
110 |
140 |
160 |
180 |
200 |
250 |
300 |
|
Толщина заготовки, мм |
5 |
7 |
12 |
16 |
20 |
24 |
36 |
50 |
Толщина указана с учетом того, что в ходе шлифовки центр заготовки станет тоньше на 1-2 мм для зеркал диаметром до 180 мм и примерно на 3 мм для зеркал большего диаметра. Кроме того, числа табл. 1 справедливы только для случая, когда зеркало опирается на три равноудаленные точки, лежащие на окружности, радиус которой на 10% меньше радиуса заготовки.
В тех случаях, когда заготовка опирается (разгружается) на 6 или 9 точек, толщина заготовки может быть значительно меньше (табл. 2 -- разгрузка на 6 точек и табл. 3 -- разгрузка на 9 точек). Значения толщины здесь также несколько преувеличены.
Т а б л и ц а 2
|
Диаметр заготовки, мм |
140 |
160 |
180 |
200 |
250 |
300 |
|
Толщина заготовки, мм |
8 |
9 |
11 |
14 |
20 |
27 |
Т а б л и ц а 3
|
Диаметр заготовки, мм |
100 |
180 |
200 |
250 |
300 |
|
Толщина заготовки, мм |
8 |
10 |
11 |
17 |
23 |
Насколько точно нужно соблюдать приведенные величины толщин? Толщину можно уменьшить на 5-- 10%, а увеличить в 1,5--2 раза. Слишком толстые заготовки не стоит брать потому, что стекло имеет малую теплопроводность и при перепадах температуры воздуха температура внутренних и внешних частей зеркала выравнивается очень медленно. Это приводит к тому, что заготовка коробится и зеркало дает плохое изображение до тех пор, пока температуры не выровняются. Лучше всего выбрать специальную оптическую заготовку, иллюминатор судна, толстостенное окно вакуумной камеры или что-нибудь и этом роде.
Отличное зеркало можно сделать, использовав в качестве заготовки конденсорную линзу от фотоувеличителя или другого проекционного прибора. В этом случае углубление нужно будет вышлифовать на плоской стороне плоско-выпуклой линзы.
Можно вырезать круглую заготовку из куска витринного или другого достаточно толстого стекла. Делается это так. На ровную доску кладется лист стекла, который прижимается тремя деревянными планками. Эти планки устанавливаются в виде треугольника, концы которого свисают со стекла и могут быть прибиты к доске. В этот треугольник должно входить трубчатое сверло. Сверлом может служить консервная банка, кастрюля с незавальцованным краем и т. п. Сверло вставляется между планками так, чтобы оно могло легко вращаться в треугольнике, нo нe болтаться. (рис. 8). К дну банки прибивается палка - ручка, с помощью которой мы будем вращать сверло то в одну сторону, то в другую. Вырезание ведется с помощью грубого абразива (наждачного порошка). Он насьшается на стекло и обильно смачивается водой. Чтобы по мере углубления сверла в стекло, абразив мог
Рис. 8- Приспособление для вырезания круглой заготовки из толстого листа стекла.
1 -- cвеpло, 2 -- стекло.
проваливаться в канавку, в рабочей части сверла вырезаются треугольные прорези. Глубина прорезей должна немного превышать толщину стекла. Вокруг сверла на стекле надо сделать пластилиновый бортик, который будет удерживать воду и остатки раздробленного абразива.
Насыпав на стекло наждачный порошок и обильно смочив стекло водой, вставляем в треугольник сверло, сильно его прижимаем к стеклу и начинаем вращать. В начале вырезания будет слышен громкий хруст абразива, который постепенно стихнет. Это не означает, что нужно подсыпать нового абразива. На стекле возле сверла лежит еще много абразива, поэтому подольем воды, которая частично смоет абразив в канавку под сверло. Лишь после того, как подливание воды не будет приводить к возобновлению хруста, добавляем еще абразив. Через час-два заготовка толщиной 8--10 мм и диаметром около 120 мм будет вырезана.
Если толщина витринного стекла недостаточна, можно склеить канцелярским (силикатным) клеем (жидким стеклом) два диска одинакового диаметра. Оба диска обязательно должны быть вырезанными из одного куска стекла, чтобы можно было быть уверенным, что температурный коэффициент обоих кусков в точности одинаков. В противном случае при перепаде температур зеркало будет коробиться. Край такого клееного зеркала должен быть замазан тонким слоем
Т a б л и ц a 4
|
Средний размер зерен (в мм) |
Обозначениe в системе ГОСТа |
Обозначение в английской системе |
|
|
0,35-0,25 |
No 25 |
No 70 |
|
|
0.25--0.20 |
No 20 |
No 80 |
|
|
0,20--0,12 |
No 12 |
No 120 |
|
|
0. 12--0,08 |
No 8 |
No 180, |
или трехминутник |
|
0,08--0,06 |
No 6 |
No 280, |
или пятиминутник |
|
0,04 |
М40 |
- |
10-минутник |
|
0,028 |
М28 |
No 325, |
или 15-минутник |
|
0,02 |
М20 |
No 400, |
или 30-минутник |
|
0,014 |
M14 |
No 600, |
или 60-минутник |
|
0,01 |
М10 |
- |
120-минутик |
|
0,007 |
М7 |
- |
240-мииутник |
нерастворимого в воде клея (например, эпоксидного), так как жидкое стекло "боится воды. После вырезания диска на его краях надо сделать фаски -- сточить наждачным камнем с водой эти края под углом 450. Ширина фаски должна быть 1,5--2 мм.
Теперь приготовим кольцевой шлифовальник для грубой обдирки зеркала. Его диаметр должен быть paвeн примерно половине диаметра заготовки или немного меньше. Один из торцов кольца, отрезанного от подходящей толстостенной металлической трубы, должен быть хорошо обработан, лучше на токарном станке. Это будет рабочий торец шлифовальника.
Для грубой и тонкой шлифовки потребуются шлифпopошки (абразивы). В табл. 4 приведены размеры зерен различных номеров абразивов. Так как на протяжении многих лет действовала английская система обозначения абразивов, и их названия фигурируют в книге М. С. Навашина н других авторов, в нашей таблице приведены размеры абразивов по новой системе обозначений ГОСТа и по старой английской системе.
Порошки можно попытаться приобрести в оптических, зеркальных мастерских или в металлообрабатывающих цехах заводов, где они применяются для доводки металлических деталей. Если же достать не удалось, то их можно получить прокаливая на плитке абразивные круги. Связка, которой склеены зерна абразива, разрушается, и круг рассыпается. Можно замачивать наждачную шкурку в кипятке и собирать абразив на дне банки. Полученные таким образом зерна надо рассортировать. Для грубых порошков применим обычные сита, просеивая через них порошок. Номер шлифпорошка по ГОСТу означает средний размер зерна данной фракции в сотых долях миллиметра. Как определить размер отверстий в сите? Положите сетку сита на миллиметровую линейку и посмотрите в лупу. Размер ячейки нетрудно оценить на глаз. Слишком высокая точность не нужна. Как пронумеровать абразив? Возьмем три сита с ячейками 0,35; 0,25; 0,20 мм. Просеем порошок сквозь первое сито с ячейками в 0,35 мм. Оставшийся на сетке порошок выбросим. Провалившийся порошок просеем сквозь сито с ячейками 0,25 мм. Все, что останется на сите с ячейками 0,25 мм, назовем номером 25. Провалившийся порошок просеем через сито с ячейками 0,20 мм. Остаток на сите назовем No 20. Таким образом, номер порошка присваивается по ситу, на котором он остается.
Самые частые сита могут быть сделаны из металлических сеток для масляных фильтров. Однако порошки размером 0,06--0,04 мм просеиваются с трудом. Поэтому меньшие по крупности абразивы разделим иным способом -- отмучиванием. Сначала опишем процесс в том виде, в котором он применялся прежде в профессиональном производстве.
В банку высотой 100 см наливают чистую прокипяченную воду. Насыпают в нее порошок, представляющий собой смесь зерен различных размеров (номеров). Взбалтывают порошок, чтобы он оказался взвешенным в воде. Дают воде успокоиться, а порошку осесть на дно. Через 3 минуты осторожно сливают воду в другую банку той же высоты, в нее доливают чистой воды до верху и дают взвеси отстояться 10 минут. То, что останется во второй банке, называют 3-минутником. То, что не успело осесть, сливают в первую банку, предварительно вымыв ее. Этой порции дают отстояться 30 минут. Порошок, оставшийся после отстаивания называют 10-минутником и т. д.
Любителю сложно найти банку высотой 100 см. Поэтому возьмем банку высотой примерно 30 см (но не ниже!) и пропорционально сократим время отстаивания. В этом случае 10-минутник, например, получится после отстаивания в течение 10 минут вместо 30, 60-минутник -- после отстаивания 60 минут и т. д.
Для того чтобы во время слива воды не взбалтывать воду и не поднимать осадок со дна, воду лучше сливать с помощью резиновой трубки -- сифона, как это делают шоферы, сливая бензин из бака.
Фракции, собранные со дна, взболтаем еще раз, дав осесть на дно случайным крупным частицам. Если отмучивать один порошок, можно получить всего один-два номера, так как других номеров в нем может просто не оказаться. Поэтому надо приготовить сначала несколько абразивов различных номеров, но обязательно одного материала, а уже потом заняться отмучиванием. Нельзя смешивать, скажем, наждак и карбид бора.
Любитель может применить более крутую "лестницу" номеров абразивов, чем указано в табл. 4. Достаточно иметь No 20, No 8, М40, М20 и М10. Можно использовать и другие номера, но важно, чтобы при переходе к новому номеру размер его зерен уменьшался примерно вдвое.
Для тонкой шлифовки нужно приготовить металлический или пластмассовый диск того же диаметра, что и зеркало. Пластмасса должна хорошо "держать" форму, это может быть плексиглас или текстолит. Толщина этих дисков должна быть, та же, что и для зеркала при разгрузке на три точки.
Кроме этих дисков, потребуется немного эпоксидной смолы, которую можно купить, в хозяйственных магазинах как эпоксидный клей. Кстати говоря, эпоксидная смола нам пригодится и при постройке трубы телескопа, поэтому надо запасти ее 2--3 набора общим весом около 500 г.
Для полировки потребуется приготовить из битума и канифоли полировочную смолу. Того и другого потребуется примерно по 0,5 кг. О способе приготовления полировочной смолы будет рассказано ниже.
Полировка ведется крокусом или полиритом, причем полирит полирует примерно вдвое быстрее крокуса. И то и другое можно попытаться достать в зеркальных или оптических мастерских. Крокус можно приготовить самостоятельно. Горидж Селби [15] предлагает несколько способов получения крокуса. Вот два простых.
1. Железный купорос прокаливается на плитке с выделением окиси железа:
4FеSO4 +O2--> 2Fе2O3 + 4SO3.
Продукт полирует медленно.
2. Гидрокснд железа Fе(ОН)2 может быть получен из профильтрованных растворов железного купороса и
гидроксида аммония NН4ОН. Выпадающий в осадок, гидроксид железа фильтруется, промывается, высушивается и прокаливается, как в первом случае. Продукт полирует хорошо. В обоих случаях получается красный крокус. Реактивы можно попытаться достать в химических лабораториях школ и других учреждений.
Рис. 9 Простой станок для шлифовки и полировки зеркала
Рассмотрим устройство простейшего шлифовального станка (рис. 9). К рабочему столу (лучше к квадратной доске-основанию) прибита одним гвоздем в центре квадратная, восьмиугольная или круглая доска, которая может с трением поворачиваться вокруг оси -- гвоздя. Начертим на ней окружность с центром на оси и диаметром несколько больше зеркала. Прибьем три деревянные пробки, высота которых на 2--3 мм меньше высоты заготовки. Эти пробки-упоры должны удерживать зеркало во время шлифовки на доске. Зеркало должно вкладываться между ними с небольшим зазором. В один зазор вставляется деревянный клин, который прижимает зеркало к двум другим упорам, и теперь зеркало совершенно неподвижно. Если же нам нужно его снять, достаточно вынуть клин. Зеркало лучше уложить на три картонные, фетровые или кожаные прокладки *).
*) Для обработки зеркала можно воспользоваться также специальным станочком, предложенным Л[. М. Шемякиным. Описание станочка можно найти в дополнениях к книге М. С. Навашина "Телескоп астронома-любителя" (3-е изд., перераб. и доп,-- М.: Наука, 1975) либо в статье А. Н. Подъяпольского, М. М. Шемякина и Г. В. Шуваева "Изготовление самодельного телескопа-рефлектора", помещенной в "Астрономическом календаре" на 1980 год. (Прим. ред.)
7. ОБДИРКА ЗЕРКАЛА
Установив заготовку на шлифовальном станке, насыплем на нее примерно с половину чайной ложки
Рис. 10. Обдирка 110- миллиметрового зеркала кольцом на поворотном станке.
грубого абразива No 25--No 20 и смочим его водой. Взяв в правую руку кольцевой шлифовальник и придерживая левой рукой доску, проведем первый штрих кольцом (рис. 10). Начинаем штрих с края заготовки и ведем кольцо до другого ее края, следя за тем, чтобы шлифовальник выходил за край заготовки не более чем на 5 мм. Сделав два-три штриха, повернем доску с заготовкой примерно на 15--300, после чего снова сделаем 2--3 штриха (рис. 11). Обдирку ведем с большим давлением на шлифовальник. Полный штрих -- движение от одного края до другого займет примерно полсекунды. Для зеркала диаметром около 150 мм скорость обдирки составит примерно 120 штрихов в минуту, Поворачивая столик с закрепленной на нем заготовкой зеркала на 300 после каждых двух штрихов, мы повернем его полностью на 3600 за 12 секунд. Это вполне подходящая скорость вращения заготовки при ручной обработке.
Рис. 11. Движение кольца относительно зеркала.
Вскоре после начала обдирки громкий хруст сменится на легкое шипение. Это значит, что абразив измельчился, и его надо заменить на новую порцию. Равномерно распределив абразив по поверхности, снова смочим его, не скупясь на воду. Во время обдирки абразив срабатывается довольно быстро и расходуется его сравнительно много. Довольно скоро заготовка покроется достаточно толстым слоем сработанного абразива, который будет мешать. Сотрем тряпкой сработанный абразив и продолжим обдирку.
Если через 20--30 минут непрерывной работы снять заготовку и к матовой поверхности приложить металлическую линейку с ровным без зазубрин краем, то можно заметить, что между линейкой и зеркалом образовался просвет. Линейка опирается на края заготовки, а центр заготовки заметно "провис". Это означает, что поверхность заготовки принимает вогнутую форму. Теперь надо замерить фокусное расстояние этого, пока еще очень несовершенного, зеркала. Обильно смочим зеркало водой и попробуем поймать солнечный зайчик от смоченной поверхности. Повернем зеркало мокрой (рабочей) стороной к Солнцу, примерно перпендикулярно к падающим лучам. На стену, где расположено окно, направим зайчик, и, приближая или удаляя зеркало от стены, постараемся добиться того, чтобы зайчик стал как можно меньше и ярче. Добившись наименьшего диаметра зайчика, измерим расстояние от зеркала до стены с помощью достаточно длинной, разделенной на сантиметры палки. Это
Рис. 12. Определение радиуса кривизны мокрого зеркала.
и будет фокусное расстояние зеркала. В ходе тонкой шлифовки и полировки это фокусное расстояние может слегка измениться, но в основном оно задается во время обдирки. Чем больше глубина вогнутой поверхности зеркала (эта глубина в центре заготовки называется стрелкой кривизны), тем короче фокусное расстояние. Кстати говоря, радиус кривизны зеркала в два раза больше его фокусного расстояния.
В пасмурные дни поступим иначе: рядом с яркой лампой установим экран так, чтобы он был защищен от прямого света лампы. Устанавливаем зеркало так, чтобы зайчик света падал на экран (рис. 12). Приближая или удаляя зеркало от экрана, добиваемся того, чтобы зайчик света стал маленьким и принял форму волоска лампы. Добившись максимальной резкости, измерим расстояние от зеркала до экрана. Если экран и лампа одинаково удалены от зеркала, то это расстояние и есть радиус кривизны зеркала, который в свою очередь равен двум фокусным расстояниям. Делим расстояние от зеркала до экрана пополам и получаем величину фокусного расстояния зеркала.
Фокусное расстояние можно измерить и другим способом. Измерим просвет между зеркалом и прямолинейным краем металлической линейки (стрелку кривизны). Для этого нарежем неширокие (5 мм) полоски бумаги, например тетрадной. Сложим 20--30 полосок стопкой и измерим толщину стопки, плотно сжав ее. Разделив толщину стопки на число бумажек, получим толщину каждой бумажки. Подкладывая бумажки в центре зеркала, будем время от времени прикладывать линейку до тех пор, пока линейка не ляжет плотно на бумажки. После этого, умножив число полосок на толщину одной полоски, получим величину стрелки прогиба поверхности зеркала, а затем и фокусное расстояние по формуле
где R -- радиус кривизны зеркала, D -- диаметр зеркала, х -- стрелка кривизны.
Если на первых порах точность определения фокусного расстояния описанным методом приблизительно равна точности "мокрого" метода и составляет примерно 
мм, то при переходе к тонкой шлифовке точность непосредственного измерения фокуса смоченного зеркала резко возрастает. На последних стадиях шлифовки эта точность составляет 
мм.
Прежде всего введем новое понятие: относительное отверстие. Относительным отверстием объектива (зеркала или линзы) называется отношение диаметра объектива к его фокусному расстоянию. Относительное отверстие всегда выражается дробью с единицей в числителе, например 1/3, 1/10, 1/6,5 и т. д. Между прочим, значения "диафрагмы", нанесенные на оправу фотообъектива,-- это знаменатели относительных отверстий объектива. Если "диафрагма" равна 2,8, то относительное отверстие объектива равно 1/2,8. В астрономической оптике "диафрагма" называется относительным фокусным расстоянием или "относительным фокусом". Например, если фокусное расстояние нашего зеркала равно 1200 мм, а его диаметр равен 150 мм, то относительное отверстие равно 1/8, а относительный фокус 8.
Чем меньше относительное отверстие, тем меньше сказывается на качестве изображения сферическая аберрация зеркала, которая состоит в том, что лучи параллельного пучка света после отражения от сферической поверхности не собираются в одну точку, так как фокусное расстояние центральной части сферического зеркала больше фокусного расстояния крайних зон. Эта разница обычно невелика, но ее достаточно, чтобы заметно портить изображение (рис. 13).
Сфера
Рис. 13. Отражение пучка параллельных лучей от сферического и параболического зеркала.
Совершенно свободно от сферической аберрации параболоидальное зеркало. Параболоид вращения имеет на крайних зонах меньшую, чем в центре, кривизну. Благодаря этому фокусное расстояние крайних зон несколько больше, чем у сферического зеркала. Но сделать параболоидальное зеркало сложнее.
Впрочем, при достаточно малых относительных отверстиях сферическая аберрация так мала, что изображение практически не искажается, и такое зеркало может быть названо идеальным. Табл. 5 дает наименьший относительный фокус V сферического зеркала для выбранного диаметра D, при котором изображения становятся идеальными. Разумеется, можно выбрать относительный фокус еще больше (а относительное отверстие меньше), и изображения будут оставаться по-прежнему идеальными, но нельзя выбирать относительный фокус меньше, чем указано в таблице.
Т а б л и ц а 5
|
D |
70 |
100 |
130 |
150 |
200 |
250 |
300 |
|
V |
6,30 |
7,05 |
7,70 |
8,08 |
8,89 |
9,58 |
10,18 |
В табл. 6, наоборот, показана зависимость диаметра зеркала от выбранного относительного фокуса.
Т а б л и ц а 6
|
V |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
10 |
|
D |
7,7 |
18,2 |
35,5 |
63,3 |
97,4 |
145,4 |
284,0 |
Таким образом, наше 150-миллиметровое зеркало должно иметь относительный фокус не менее 8,08. Иначе говоря, его фокусное расстояние должно быть в 8,08 раза больше диаметра. Нетрудно подсчитать, что фокусное расстояние зеркала не должно быть короче 1212 мм. Конечно, нет нужды выдерживать эту величину с высокой точностью. Достаточно принять фокусное расстояние равным 1200 мм или 1300 мм. Остановимся, например, на первой величине. Проверяя фокусное расстояние у смоченного водой зеркала, остановим обдирку, когда фокусное расстояние станет приблизительно равным выбранному. Лучше, если оно будет на 2--3 см больше, так как в ходе тонкой шлифовки оно несколько уменьшится.
Для тонкой шлифовки нужен шлифовальник. Проще всего его сделать, подобрав металлический или пластмассовый круг тех же, что и зеркало, диаметра и толщины. Кроме того, потребуется примерно 50-- 60 мл эпоксидной смолы. Для изготовления шлифовальника положим зеркало на горизонтальную поверхность рабочей стороной вверх (рис. 14).
Рис. 14. Зеркало с бумажным бортиком перед изготовлением шлифовальника.
Кружок полиэтилена еще не уложен на зеркало.
Сделаем бортик из толстой бумаги, который должен приподниматься над краем зеркала на 2,5-- 3 мм. Пространство между бортиком и фаской на зеркале заделаем пластилином, предварительно скатав его тонким жгутиком. Важно, чтобы в пластилине не оказалось ямок, лежащих ниже поверхности зеркала. В эти ямки затечет смола, образовав выступы, которые потом не дадут "стянуть" шлифовальник с зеркала. Обильно смажем зеркало маслом со всех сторон (можно применить любое масло, в том числе подсолнечное или сливочное). Поверх смазанной поверхности уложим круглый лист полиэтилена того же, что и зеркало, диаметра.
Нужно проследить за тем, чтобы между краем полиэтилена и бортиком не было больших щелей, куда может затечь смола. Поэтому щель между бумажным бортиком и полиэтиленом лучше заделать пластилином, как и фаску. Смажем маслом и бортик. Все эти меры необходимы для того, чтобы эпоксидная смола не приклеилась к зеркалу. В небольшой посудине разведем смолу, тщательно перемешав собственно смолу-компаунд и отвердитель.
Рис. 15. Канавки на поверхности эпоксидной смолы. Поверхность смолы уже пришлифована к зеркалу.
После тщательного перемешивания смолы выльем ее на полиэтилен. Заливаем до тех пор, пока смола не поднимется до края бортика. Нельзя перемешивать смолу уже на полиэтилене, так как она может подтечь под него. После этого кладем на поверхность смолы приготовленную металлическую или пластмассовую пластину. Для того чтобы смола лучше приклеилась к металлу, с поверхности металла надо удалить следы жира, для чего ее надо тщательно протереть ацетоном или спиртом и сильно поцарапать.
Оставим диск на смоле и дадим ей затвердеть. Обычно на это уходит 8--12 часов. Для верности снимем шлифовальник с зеркала через сутки.
После того как мы снимем с зеркала шлифовальник и полиэтилен, мы увидим поверхность, далекую от идеальной сферы. На поверхности смолы будут видны небольшие ямки и бугорки, которые, впрочем, в основной своей массе будут сошлифованы и не помешают работе шлифовальника.
Для того чтобы абразивный порошок легче распределялся по всей поверхности шлифовальника, надо ножовкой по металлу пропилить в смоле канавки (рис. 15) через 30--40 мм. Канавки помогают быстрому перемещению абразивной суспензии и равномерному ее распределению на поверхности шлифовальника, Кроме того, канавки полезны еще и потому, что в них проваливаются случайные крупные зерна абразива, не успевая поцарапать поверхность зеркала. Если канавок нет, это зерно будет кататься между шлифовальником и зеркалом до тех пор, пока не разрушится. В этом случае оно успеет прочертить длинную царапину.
Получив нужное нам углубление, мы должны сгладить матовость на поверхности зеркала. Это делается с помощью более тонких абразивов. Шлифовальник теперь располагается внизу, а зеркало наверху. Вспомним, что эпоксидная смола, которой покрыт наш шлифовальник, мягче стекла, поэтому матовость на зеркале получается примерно вдвое тоньше, чем при шлифовке металлическим шлифовальником. Начиная шлифовку на пластмассовом шлифовальнике, применим все тот же абразив No 25, следя за тем, как матовость становится тоньше по мере шлифовки. Только хорошо прошлифовав этим номером абразива, перейдем к No 12, а затем к No 6.
Вообще надо стремиться к тому, чтобы по мере уменьшения размеров зерен их диаметры уменьшались вдвое. Конечно, можно перейти к абразиву, размеры зерен которого меньше предыдущего в 1,4 раза, но крайне нежелательно переходить через более крутую ступеньку, когда средний размер зерен фракции меньше предыдущего в 3 или 4 раза. В этом случае тоже можно хорошо прошлифовать поверхность, затратив больше, чем обычно, времени, но лучше не рисковать так как можно не заметить мелких ямок, оставшихся от предыдущего номера абразива. Эти ямки, если их много, сильно рассеивают свет и снижают контраст изображения в телескопе. Поэтому лучше при переходе к следующему номеру абразива придерживаться уменьшения размера зерен в 2 или 1,4 раза.
Рис. 16. Движение шлифовальника и зеркала при шлифовке.
Шлифпорошки No 25, No 12, No 6 наносим на шлифовальник чайной ложечкой, а воду рукой, смачивая в воде пальцы и брызгая на шлифовальник. Микропорошки М28, М20, М14 и т. п. наносим иначе. Насыплем в мягкую пластмассовую бутылочку с завинчивающейся крышкой микропорошок. Нальем кипяченой воды и, взболтав абразивную суспензию, дадим ей отстояться и сольем излишек воды. Сделаем в крышке толстой иглой. отверстие диаметром около 1 мм. Еще лучше, если крышка снабжена трубочкой, как, например, у бутылочек для бензина к зажигалкам.
Взбалтываем абразивную суспензию, наклоняем бутылочку отверстием вниз и, нажимая на стенки, выдавливаем струйкой суспензию на шлифовальник. Взбалтывать суспензию надо не до дна, так как на дне бутылки бывают случайные крупные частички, которые могут поцарапать зеркало.
Во время шлифовки применяем только центральный штрих (когда центр зеркала движется по диаметру шлифовальника) со смещением центра зеркала на 1/3 диаметра. Вынос делаем всегда в одну сторону, например от себя. Сдвинув таким образом зеркало, возвращаем его обратно. После двух-трех штрихов поворачиваем столик с укрепленным на нем шлифовальником на 300 и одновременно поворачиваем зеркало правой рукой в противоположную сторону примерно на половину угла поворота шлифовальника. После этого делаем еще 2--3 штриха. Впрочем, не обязательно выдерживать такую последовательность штрихов и поворотов. Важнее другое -- шлифовка должна идти равномерно по разным азимутам, зеркало должно сдвигаться в среднем на 1/3 диаметра, но не больше (рис. 16). Некоторые любители шлифуют, сдвигая зеркало в обе стороны на 1/3 радиуса зеркала. Штрихи длиннее 1/3 радиуса приводят к тому, что на краю зеркала появляется "завал", уменьшение кривизны крайней зоны зеркала или, что одно и то же, увеличение радиуса кривизны. Этот дефект в сильно утрированном виде показан на рис. 17,а. Штрихи короче 1/4 диаметра приводят к появлению зональных ошибок, а также "подвернутого края", когда в центре кривизна меньше, чем на краях (рис. 17, б),
Рис. 17. Наиболее часто встречающиеся ошибки поверхности вогнутого зеркала:
завал края (а) и подвернутый край (б).
Чтобы проверить, имеет ли зеркало эти отступления от сферы, промоем зеркало и шлифовальник и высушим их. Прочертим на зеркале простым карандашом несколько диаметральных линий. Осторожно уложим зеркало на сухой шлифовальник и сделаем несколько штрихов. В случае завала карандашные линии сотрутся на средних зонах, а при подвернутом крае - на краю и в центре.
Нельзя злоупотреблять, этими испытаниями, так как на сухом без абразива шлифовальнике зеркало может легко поцарапаться. Поэтому к этим исследованиям прибегнем только в том случае; когда зеркало при движении по шлифовальнику начинает "цепляться". Это указывает на возможный завал края. Если же зеркало движется слишком легко и как бы стремится соскользнуть со шлифовальника, то это указывает на возможный подвернутый край.
Если обнаружен завал края, укоротим штрих до 1/4--1/5 диаметра, если подвернутый край -- увеличим штрих до 2/5 диаметра.
Надо избегать быстрых и резких движений; они должны быть плавными, а чисто полных штрихов не должно превышать двух в секунду при диаметре зеркала 150 мм.
Скорость шлифовки прежде всего зависит от абразива, которым она ведется. Табл. 7 показывает относительную твердость различных естественных и искусственных материалов, применяемых в качестве шлифующих абразивов.
Во время обдирки стараются применить самые твердые материалы. Те же материалы применяются при грубой шлифовке. На последних стадиях шлифовки
Т а б л и ц а 7
|
Наименование материала |
Относительная твердость |
Наименование материала |
Относительная твердость |
|
Кварцевый песок Наждак Корунд |
1.0 1,4 2,0 |
Карбид кремния Карбид бора Алмаз |
2,9--3,3 4,8--4,9 10,0 |
применяются несколько более мягкие абразивы, например корунд. Из электрокорунда приготавливаются микропорошки от М40 и мельче.
Конечно, мы не можем рассчитывать на то, что удастся достать искусственный алмаз, но можно постараться достать карбид кремния или карбид бора, разумеется, нескольких номеров.
Во-вторых, большое влияние на скорость шлифовки, впрочем, как и полировки, оказывает давление на зеркало, Считается [12], что наилучшее давление на инструмент 800 г на 1 см2.
Однако для того, чтобы наше 150-миллиметровое зеркало, имеющее площадь 177 см3, подвергнуть такому давлению, надо поставить на него груз массой более 140 кг. Ни профессионалы, ни любители не используют оптимальное в смысле скорости шлифовки давление и обычно ограничиваются давлением около 5 кПа (50 Г/см2). Для того чтобы создать такое давление на шлифовальнике, надо поставить на зеркало груз массой около 9 кг. Практически в любительской практике применяются еще меньшие давления, так как трудно передвигать зеркало, если на нем стоит тяжелый груз, Поэтому 150-миллиметровое зеркало нагружается грузом массой 2--3 кг, и удельное давление составляет 1--1,5 кПа или 10-- 15 Г/см2.
Нужно помнить еще об одном обстоятельстве, которое принуждает избегать больших давлений при обработке астрономических зеркал. Речь идет о деформациях заготовки при больших нагрузках, что может привести к грубым ошибкам на поверхности зеркала. Поэтому на последних стадиях тонкой шлифовки примем давление 1--1,5 кПа как оптимальное и не будем намного превышать эту величину.
На однородности матирования сказывается продолжительность шлифовки одним номером абразива. Очевидно, что чем дольше мы шлифуем одним номером, тем равномернее будет матирование. Однако продолжительная шлифовка увеличивает вероятность попадания крупных зерен, которые могут поцарапать поверхность зеркала. Поэтому необходимо выбрать некую оптимальную продолжительность, когда матовость от предыдущего абразива совершенно явно сошлифована. Для электрокорунда эта продолжительность составляет примерно 15--20 минут, если каждый последующий номер имеет зерна в 1,4 раза меньше зерен предыдущего номера. Если "лестница"" номеров "круче" и каждый последующий абразив мельче предыдущего в 2 раза, время шлифовки надо увеличить, до 1--1,5 часа. При этом имеется в виду, что удельное давление составляет 1-- 1,5 кПа. Увеличение давления приводит к прямо пропорциональному увеличению скорости сошлифовывания стекла и, значит, к обратно пропорциональному сокращению времени шлифовки одним номером абразива. Поэтому во время обдирки и на первых стадиях шлифовки надо применять как можно большее давление, помня, что даже усилие на зеркале в 10 кГ приведет к удельному давлению всего около 6 кПа (60 Г/см2).
Долгое время считалось, что на поздних стадиях шлифовки давление должно быть резко уменьшено. из-за опасности появления царапин. Исследования последних лет показывают, что число царапин совершенно не зависит от давления [12].
По мере того как стекло сошлифовывается, а абразив измельчается, на поверхности шлифовальника собирается большое количество шлама (отработанного абразива и измельченного стекла), который сам практически не принимает участия в процессе шлифования, но очень мешает шлифовке свежим абразивом, так как зеркало "плавает" на этом слое шлама и недостаточно прижимается к шлифовальнику. Чтобы этого избежать, необходимо своевременно убрать шлам. Для этого достаточно время от времени (через 2 - 3 порции абразива добавлять много воды, которая смоет отработанный шлам, и он по канавкам в шлифовальнике стечет на ее края. Однако через некоторое время нужно зеркало полностью отмыть от шлама. Чаще всего эта процедура совпадает с мытьем зеркала и шлифовальника перед переходом на более мелкий абразив.
Самое неприятное в ходе тонкой шлифовки -- царапины и остатки матовости от предыдущих номеров абразива. Поэтому, прежде чем переходить на более мелкий абразив, нужно внимательно осмотреть матовую поверхность зеркала в косо падающем солнечном свете или свете сильной лампы, стараясь рассмотреть возможные ямки--"точки", которые выделяются на ровном фоне матовой поверхности, как яркие блестки.
При рассматривании отражения в матовой поверхности зеркала большого не слишком яркого объекта, например окна днем (при косом падении света на зеркало), надо обращать внимание на то, что некоторые участки зеркала могут иметь более матовую поверхность, чем остальные. Однако надо помнить, что вид поверхности зависит и от угла падения света: при более скользящем падении поверхность блестит больше. Покачивая зеркало, внимательно выискиваем матовость в виде кольца или пятна в центре, концентричного с краем зеркала. Эта матовая зона говорит о том, что дело не в косом падении света, а действительно в остатках матовости после грубой шлифовки.
Хорошие результаты можно получить, рассматривая поверхность зеркала в сильную лупу, а еще лучше -- в микроскоп с увеличением 50--100 раз. Имея слабый объектив от какого-нибудь старого микроскопа и окуляр, микроскоп можно сделать самому. Установив его на простом штативе из толстой проволоки, можно получить прекрасный инструмент (рис. 18).
Рис. 18. Микроскоп для осмотра шлифованной поверхности зеркала.
Конечно, невозможно осмотреть всю поверхность зеркала в микроскоп; достаточно осмотреть несколько зон. Для этого надо от самого края зеркала пройтись. вдоль радиуса зеркала до самого центра. В тех случаях, когда на фоне мелкого матирования видны крупные ямки, надо осмотреть эту зону внимательнее, двигаясь по окружности вдоль зоны.
Как оценить размер попадающихся ямок? Для этого в фокальную плоскость окуляра надо ввести кончик тонкой проволоки. Фокальная плоскость расположена там, где установлена так называемая полевая диафрагма окуляра; у обычных окуляров к микроскопу эта диафрагма установлена между линзами. Поэтому окуляр надо разобрать, вывинтив одну из линз. Впрочем, в некоторых микроскопах применяются окуляры с полевой диафрагмой, расположенной перед передней (не глазной) линзой. Тогда установить проволочку вообще не составит труда. Надо добиться, чтобы проволочка была видна резко одновременно с матовой поверхностью зеркала.
Следующий шаг заключается в том, что надо измерить диаметр поля зрения микроскопа в пространстве предметов. Для этого будем рассматривать миллиметровую линейку в микроскоп. Предположим, что в поле зрения видно одновременно 1,5 деления. Это значит, что поле зрения микроскопа составляет 1,5 мм в диаметре. Допустим, проволочка видна такою размера, что ее толщина составляет 1/40 диаметра поля зрения. Это значит, что в пространстве предметов проволочка проецируется размером 1,5 : 40=0,04 мм или 40 мкм.
Как оценивать размер ямок? Глядя в микроскоп, сравниваем размер ямки с видимой толщиной проволочки. Предположим, что ямка имеет размер около 1/3 толщины проволочки, значит, настоящий диаметр ямки равен 40 мкм : 3 =13 мкм
Получив размер ямки, мы можем решить, каким образом ее можно сошлифовать.
Практика показывает, что при шлифовке с давлением около 1 кПа (10 Г/см2) ямка сошлифовывается за 15--20 мин, если шлифовка ведется абразивом со средней величиной зерна того же размера, что и диаметр ямки. В нашем примере ямка будет сошлифована за 15--20 минут микропорошком М14.
Не нужно думать, что для оценки качества поверхности зеркала обязательно нужен микроскоп. Большинство любителей обходится лупой. Но микроскоп позволяет просто и быстро решать вопрос об устранении ямок или царапин.
Надо сразу сказать, что универсального средства полностью избежать царапин нет. Проблема царапин настолько сложна, что даже в профессиональном производстве существуют допуски, позволяющие считать поверхность совершенной, если на ней есть некоторое число небольших царапин. ГОСТ предусматривает для астрономических объективов и зеркал класс чистоты VII. Это означает, что допускается некоторое число царапин шириной не более 0,1 мм, если их суммарная длина не превышает двух диаметров объектива, В нашем случае ГОСТ допускает несколько царапин общей длиной около 300 мм. На оптических деталях размером с наше зеркало не учитываются одиночные точки, если их диаметр не превышает 1,0 мм, а число не больше 0,5 D (D -- диаметр зеркала в мм). На нашем зеркале может быть не более 75 точек диаметром до 1 мм.
Вообще же царапин и точек можно в значительной степени избежать, если в основу положить принцип:
"Во всем абсолютная чистота и аккуратность". С этой целью не мешает лишний раз залить абразивы водой, взболтать и дать отстояться.
Для баночек, где хранятся микропорошки, ни в коем случае нельзя применять стеклянные пробки. Пробки должны быть корковые или пластмассовые.
Для взмучивания абразивов надо применять только хорошо отстоявшуюся свежевскипяченную воду.
В значительной степени при работе помогают канавки на шлифовальнике, куда крупные частицы проваливаются, не причинив вреда.
На рабочем месте не должно быть ничего лишнего. Для того чтобы отработанный абразив не скапливался на столе, надо почаще снимать и мыть клеенку, которой застелен стол и на которой установлен станок. Многие любители используют вместо клеенки стопу старых газет, грязные газеты снимают и выбрасывают при переходе к более мелкому абразиву.
Часто в толще стекла попадаются мелкие пузырьки. Они не страшны. Но если такой пузырек расположен в непосредственной близости к поверхности зеркала, он может в ходе шлифовки вскрыться. В этом случае ямку надо рашлифовать с помощью мелкого абразива и гвоздя, установив гвоздь в ямку и вращая его пальцами. Это устранит еще одну опасность--скапливание в ямке отработанного абразива. Расшлифованная ямка практически не мешает работе зеркала. У 2,6-метрового телескопа Крымской астрофизической обсерватории одно из вспомогательных зеркал имеет два расшлифованных пузырька диаметром примерно 6--7 мм.
Во время тонкой шлифовки чрезвычайно мелкий отработанный абразив слипается в прочные комочки. Эти комочки собираются на краю шлифовальника, где отработанный абразив быстро сохнет. Попав между зеркалом и шлифовальником комочек не может быстро разрушиться и некоторое время катается по поверхности зеркала, производя царапины. Эти царапины в микроскопе выглядят не так, как обычные, образованные крупными зернами абразива Если последние оставляют царапины, напоминающие овраги с рваными краями и очень неровным дном, то царапины от слипшихся комочков имеют совершенно плоское дно. Создается впечатление, что часть матовой поверхности осела на некоторую глубину. Чтобы избежать, этих царапин, надо не давать высыхать абразиву на краю шлифовальника. Для этого край шлифовальника время от времени надо смачивать водой, следя за тем, чтобы он оставался всегда мокрым.
При рассматривании отшлифованной поверхности или в процессе полировки иногда можно заметить, что одна из зон явно хуже отшлифована и имеет более грубую матовость. Эта зона обычно располагается в том месте, где добавлялся абразивный порошок. Возникает матовость от того, что на этой зоне абразив всегда крупный, еще не успевший разрушиться, тогда как на другие зоны он попадает заметно измельченным. Чтобы предотвратить это, надо наносить абразив не только на этой зоне, но и на самом краю, и на центральных зонах.
Опасно оставлять на шлифовальнике мало абразива. Шлифовка с недостаточным количеством абразива--также одна из причин появления царапин. Особенно опасно класть зеркало на шлифовальник без абразива. Здесь даже самая мелкая соринка может оставить роковой след.
Канавки на шлифовальнике, защищая зеркало от царапин во время шлифовки, могут стать источником царапин при перемене номера абразива: поэтому мыть шлифовальник надо особенно тщательно, лучше всего со щеткой.
В ход шлифовки время от времени полезно смачивать зеркало водой и определять его фокусное расстояние, а, следовательно, радиус кривизны. Мы помним, что фокусное расстояние равно половине радиуса кривизны.
Давно замечено, что если две плоские стеклянные пластины долго шлифовать одна о другую, то верхняя пластина становится вогнутой, а нижняя -- выпуклой. У профессиональных оптиков есть выражение "план пошел на радиус". Это значит, что плоская поверхность стала приобретать кривизну. Между прочим, на протяжении многих лет это свойство шлифуемых поверхностей использовалось для того, чтобы придать, зеркалу вогнутость, а стеклянному шлифовальнику выпуклость. Тех, кого это заинтересует, отсылаем к книге М. С. Навашина "Телескоп астронома-любителя",
Нас сейчас интересует только возможность изменять радиус кривизны зеркала. При шлифовке пластмассовым шлифовальником постоянное положение зеркала сверху приводит к тому, что его радиус кривизны, а значит, и фокусное расстояние постепенно уменьшаются. Например, при обработке автором зеркала диаметром 160 мм микропорошками М40, М28, М20, М14 в течение трех часов фокусное расстояние зеркала уменьшилось с 1000 мм до 940 мм.
Чтобы увеличить фокусное расстояние, нужно зеркало и шлифовальник поменять местами зеркало положить на стол, а шлифовальник сверху. Меняя положение зеркала и шлифовальника, можно сохранять величину радиуса кривизны и фокусного расстояния, если оно близко к расчетному. Впрочем, некоторое изменение фокусного расстояния не страшно, так как от этого только несколько изменится длина трубы. Единственное, за чем надо следить,-- это чтобы величина относительного фокуса не уменьшалась до величин, значительно меньших, чем приведены в табл. 5. В противном случае у отполированного зеркала величина сферической аберрации будет превышать допустимую.
Чем тоньше матовость, тем проще и быстрее идет полировка. Но при использовании слишком мелких микропорошков вероятность возникновения царапин резко возрастает. На это жалуются почти все любители. Поэтому ограничим себя микропорошком М10. На пластмассовом шлифовальнике он дает очень тонкую матовость, которая соответствует матовости от порошка No 7 на металлическом или стеклянном шлифовальнике. В то же время микропорошок М10 еще не дает тех царапин, которые характерны для номеров М7 или М5. Можно остановиться и на порошке М14. При этом в два раза увеличится время полировки.
После осмотра отшлифованной поверхности, как было сказано выше, можно решиться на переход к полировке, если на матовой поверхности зеркала нет недопустимых дефектов. Здесь, полезно еще раз отметить, что отдельные царапины не сказываются на качестве изображения, но сеть, мельчайших и многочисленных царапин очень страшна. Отдельные точки, хотя бы и крупные, не страшны, в отличие от больших площадей с мелкой матовость. Поэтому, если на поверхности зеркала обнаружены многочисленные царапины или ямки, которые значительно глубже основной матовости, надо возвратиться к шлифовке с более крупным абразивом, прежде чем перейти к полировке. Можно затратить много часов непрерывной полировки, но так и не сполировать ямок диаметром 30-40 мкм.
Полировочная смола состоит из каменноугольного пека (битума, сапожного вара), канифоли и воска (без которого можно обойтись). В табл. 8 приведены составляющие полировочной смолы в зависимости от рабочей температуры помещения.
На разостланной газете разобьем пек (или битум) и канифоль на кусочки размером в 0,5--1 см, измельчим воск. Перемешаем в пропорциях, указанных в
Т а б л и ц а 8
|
Марка смолы |
Канифоль, г |
Воск, г |
Пек, г |
Рабочая температура, С |
|
П10, 5 |
840 |
10 |
150 |
40--35 |
|
П10 |
700 |
10 |
290 |
35--30 |
|
П9, 5 |
600 |
10 |
390 |
30-25 |
|
П9 |
500 |
10 |
490 |
25-20 |
|
П8,5 |
380 |
10 |
610 |
23--20 |
|
П8 |
150 |
10 |
840 |
20--15 |
таблице, и всыплем в металлическую баночку, в которой будем варить смолу. Смесь должна нагреваться на медленном огне, и при варке нельзя допускать, чтобы смола закипела. Тщательно перемешаем массу палочкой. Сначала на палочке налипнет почти вся смола, но по мере постепенного разогревания она равномерно заполнит банку. После получасового нагревания и помешивания смолу можно считать готовой. Теперь из смолы надо устранить возможные твердые крупинки. Для этого смолу надо процедить через марлю.
Если шлифовка шла на достаточно твердом шлифовальнике, то полировка производится на относительно мягком полировальнике. Существует довольно много способов изготовления полировальников -- нанесения смолы на металлическую основу. Мы опишем три из них.
Первый напоминает изготовление шлифовальника из эпоксидной смолы. На лицевую поверхность зеркала кладем пару кругов из промокательной или другой мягкой пористой бумаги, которая должна защитить зеркало от резкого перегрева в момент выливания на него смолы. Поверх промокательной бумаги укладываем круг из алюминиевой фольги, которую можно купить в хозяйственных магазинах.
Вокруг зеркала сделаем бортик из мокрой толстой бумаги в два слоя высотой в 5 мм над поверхностью зеркала. Теперь выливаем на фольгу разогретую до консистенции сметаны смолу. Когда уровень смолы выровняется с верхним краем бортика, положим на смолу подогретый металлический диск, протерев его предварительно скипидаром, и оставим остывать на смоле. Толщина слоя смолы должна быть около 5 мм.
Через 10 минут смола достаточно затвердеет, и мы сможем снять основание полировальника вместе со смолой. Перевернем его смолой вверх и удалим фольгу, которая снимается очень легко (рис. 19, а).
Окончательную форму полировальнику мы придадим на отшлифованной поверхности зеркала, но сначала нужно изготовить канавки, назначение которых станет ясным несколько позже.
Для изготовления канавок на жало электропаяльника прикрутим толстой медной проволокой наконечник из жести (рис. 19, б). Нарежем полоски газеты длиной примерно 150 мм и шириной 20 мм. Смочим и уложим их на поверхность смолы параллельно друг другу с интервалом 5 мм. На края банки со смолой установим полировальник вертикально, рабочей стороной к себе и полосками вертикально. Подведем наконечник паяльника к одному из промежутков между полосками газеты и начнем прорезать горячим наконечником канавку, ведя паяльник снизу вверх и касаясь его жалом металлического диска (рис. 19, б). Расплавленная смола по желобку наконечника будет стекать вниз в баночку со смолой. Прорезав ряд канавок в одном направлении, укладываем мокрые полоски газеты в перпендикулярном направлении к уже прорезанным канавкам и прорезаем второй ряд канавок.
Рис. 19. Изготовление полировальника: а) Сдирание фольги с затвердевшей смолы после грубой отливки полировальника, б) наконечник паяльника, в) прорезание канавок на смоле паяльником, г) полировальник после окончательной формовки на мокром зеркале.
Обратите внимание на несимметричное расположение канавок относительно центра полировальника, отмеченного кружком. Глубина канавок должна равняться толщине слоя смолы, так, чтобы каждый квадратик действовал как маленький самостоятельный полировальник. Важно проследить, чтобы все квадратики были аккуратными и одинаковыми. Но важно также и то, чтобы в целом сетка канавок не была симметричной. Для этого надо, чтобы с центром полировальника не совпадали канавка и центр квадратика (рис. 19, г).
После того как все канавки прорезаны, отформуем полировальник окончательно. Нагреем его в теплой (50--600) воде, смочим теплой водой зеркало и, уложив теплый полировальник на станок, а поверх него зеркало (рис. 9), начнем "полировку" без крокуса, делая это точно так же, как и при шлифовке. Слишком больших давлений здесь не нужно, так как канавки могут искривиться. Наша задача добиться того, чтобы вначале неровная и довольно матовая поверхность смолы стала ровной и зеркально блестящей (рис. 19, г). Нужно проследить за тем, чтобы на поверхности квадратиков не было ямок от мелких пузырьков воздуха, которые попадают между стеклом и смолой. Один-два пузырька не страшны, но сеточка мелких пузырьков на той или иной зоне непременно приведет к зональной ошибке. Впрочем, при описанном способе получения полировальника этот дефект встречается очень редко.
Если на полировальнике образовался скол, нужно держа кусок смолы над сколом, поднести к нему нагретый наконечник паяльника и дать капле смолы стечь в ямку скола. После того как ямка заполнится смолой, мокрым пальцем грубо подравняем смолу и заново отформуем зеркало. Надо помнить, что во время формовки полировальника зеркало должно постоянно быть мокрым, иначе оно может накрепко приклеиться к смоле, и тогда придется нагревать полировальник и снимать зеркало вместе со смолой. Если такое случится, то сдирать смолу со стекла можно только деревянной палочкой, чтобы не поцарапать зеркало. Затем остатки смолы надо стереть ваткой, смоченной в бензине или керосине, и после этого вымыть зеркало водой с мылом.
Второй способ изготовления полировальника также проводится в два приема: отливка с изготовлением канавок и формовка.
Отливку ведем на резиновый коврик с взаимно пересекающимися ребрами. Эти ребра должны иметь в сечении форму трапеции или, как сказал бы литейщик, они должны иметь "конусность". Укладываем коврик на зеркало ребрами вверх. Приготавливаем 2--3 см3 (один наперсток) смеси воды и крокуса.
Рис. 20. Отливка полировальника на коврике. Излишки смолы скалываются мокрым ножом. Формовка производится на мокром зеркале.
Смесь должна быть достаточно густой. С помощью кисти закрашиваем крокусом ту часть коврика, которая лежит на зеркало. После того как крокус немного подсохнет, выливаем на коврик смолу так, чтобы она заполняла ямки, поднимаясь до уровня ребер. Для лучшего прилипания металла к смоле протрем его скипидаром. Впрочем, можно обойтись и без этого. Укладываем подогретый металлический круг на смолу и даем смоле затвердеть. Через 10 минут снимаем полировальник с коврика (рис. 20). После затвердения смолы нагреваем полировальник в теплой воде и формуем мокрым зеркалом окончательно.
Рисунок ребер на резиновом коврике может быть различным: ребра могут пересекаться под прямым углом, под углом 600, образовывать шестиугольные ячейки и т. п. Важно только, чтобы весь рисунок был однообразным по всей поверхности.
Третий способ заключается в том, что смола выливается на фольгу или мокрый пергамент (можно на кальку). Пока она мягка, мокрой деревянной линейкой проводим систему взаимно перпендикулярных канавок, подправляя их, если они заплывают. Дадим смоле окончательно затвердеть. После этого снимем слой с фольги или пергамента и разломим смолу на квадратики, как шоколадную плитку.
Теперь эти квадратики надо уложить на подогретую и протертую скипидаром (для лучшего сцепления) основу полировальника -- металлический круг. Желательно, чтобы эта основа имела выпуклую форму того же радиуса кривизны, что и зеркало. Это нужно для того, чтобы слой смолы имел на всей площади полировальника примерно одинаковую толщину. Кстати, это желательно и для полировальников, описанных выше. К этому есть два простых пути. Во-первых, можно приготовить полировальник непосредственно на выпуклом шлифовальнике или сделать еще один диск с эпоксидным слоем по радиусу кривизны зеркала. Второй путь заключается в том, что алюминиевую пластину относительно небольшой толщины (для 150-миллиметрового зеркала она должна иметь толщину 10--12 мм) кладем на ровную поверхность песка и с силой тяжелым молотком бьем в центр круга, постоянно проверяя, как ведет себя обратная сторона диска. Таким образом, можно получить заготовку подходящей кривизны. (варварский метод, однако ;-) )
После формовки полировальника переходим к полировке зеркала. Во время полировки зеркало должно принять зеркальный блеск, и всякие следы ямок матовости должны сполироваться. Кроме того, во время полировки зеркалу будет придана точная сферическая форма.
Полировка во многом напоминает шлифовку. Штрихи имеют ту же, что и при тонкой шлифовке, длину. Работа производится с той же скоростью. Давление на зеркало должно быть достаточно большим, чтобы удельное давление составляло около 1 кПа (10 Г/см2). На первых стадиях полировки, когда форма зеркала еще далека от идеальной, давление можно увеличить в 2--3 раза против указанного. Но по мере того, как матовость будет сполировываться, давление придется снизить.
Время от времени, через 8--10 минут, наносим на смолу влажный полирит. Надо заметить, что полирит сполировывает стекло вдвое быстрее, чем крокус, поэтому желательно достать именно полирит, а не крокус. Но у крокуса другие преимущества: его можно приготовить самому, кроме того, он дает поверхность несколько лучшего, чем при работе с полиритом, качества.
В ходе полировки чистота рабочего места и инструмента необходимы в еще большей степени. Полирит, как и микропорошки, наносим из пластмассовой бутылочки.
Нужно внимательно следить за влажностью полировальника, добавляя время от времени несколько капель воды. Полирита требуется гораздо меньше, чем абразива при тонкой шлифовке.
Для протирания зеркала лучше всего применять гигроскопическую вату, бумажные полотенца или чистые носовые платки.
Поблизости надо повесить термометр для контроля температуры помещения и, следовательно, рабочей температуры смолы. Неподалеку должны находиться часы для того, чтобы записывать время каждой операции. Вообще, во время полировки очень важно вести журнал, так как число различных ситуаций гораздо больше, чем во время шлифовки, и важно не допускать повторения одних и тех же ошибок.
После этих предварительных замечаний перейдем к описанию самого процесса полировки. Обильно обрызгаем полировальник полиритом: если надо, добавим еще немного воды и осторожно положим зеркало на поверхность смолы. Сквозь стекло видно, что значительная часть поверхности зеркала не прикасается к смоле, в этих местах видны большие и мелкие воздушные полости. Осторожно, без нажима, сделаем несколько круговых движений, чтобы полностью выдавить воздух в канавки. Совместим центры зеркала и полировальника и плотно прижмем зеркало к смоле. В начале полировки, так же как и после перерывов больше 1--2 часов, при снятом зеркале, смола уже не повторяет в точности форму зеркала, так как она хотя и медленно, но течет. Поэтому каждый раз после перерыва на час и более или в начале работы на новом полировальнике его надо отформовать. На 5--10 минут оставим зеркало на полировальнике, нагрузив его небольшим (1--2 кг) грузом.
Дав полировальнику отформоваться, снимем груз и начнем полировку, двигая зеркало и вращая столик в точности, как и при шлифовке. Может быть, в начале полировки зеркало будет цепляться за смолу и его движения будут неплавными. Это скорее всего происходит из-за того, что форма зеркала пока еще далека от идеальной сферы. Вероятнее всего, оно имеет в центре "яму", а его края "завалены". В сильно утрированном виде такое зеркало показано на рис. 17, а.
Самое простое средство против завала на краю заключается в сокращении длины штриха до 1/5 диаметра. Полируем, применяя этот штрих, минут 20--30, может быть, час и возвращаемся к нормальному штриху. Скорее всего, полировка теперь пойдет нормально, но если зеркало продолжает цеплять, то это может означать, что смола слишком мягка. Страшного в этом ничего нет, так как мы можем добавить в нее канифоли, конечно, предварительно сбив смолу молотком с металлического круга и расплавив. Мягкая смола вообще приводит к завалу края, так как ведущий передний край зеркала во время его движения по смоле слегка зарывается в смолу и сполировывание здесь идет быстрее. Твердая смола, напротив, почти не приводит к завалу, так как хорошо сохраняет форму, но полировка на ней идет гораздо медленнее, чем на мягкой, а царапины появляются гораздо легче.
В старых руководствах указывается на то, что полировка должна идти без давления на зеркало. В действительности это не совсем так. Мы уже упоминали, что царапины возникают примерно одинаково быстро и при полировке с давлением и без давления. Важнее другое: сильное давление приводит к деформации зеркала и к ошибкам на его поверхности. Поэтому, пока идет грубая полировка, назначение которой сполировать матовость после тонкой шлифовки, мы можем применять давление до 2--3 кПа (20--30 Г/см2) и больше. Когда мы перейдем к фигуризации, давление можно уменьшить до 0,5--1 кПа (5--10 Г/см2).
Добившись плавности движения, продолжаем полировку. Сквозь стекло видно, как по канавкам бегают пузырьки воздуха в смеси полирита с водой. Если все пойдет хорошо, поверхность зеркала полностью отполируется за 5--10 часов непрерывной полировки. Однако надо быть готовым к тому, что тонкая шлифовка была не вполне качественной, и тогда полировка может растянуться на 20--30 часов, это тоже не слишком много. Во всяком случае, у начинающих любителей такое время не считается слишком большим.
Через час работы снимем зеркало и внимательно осмотрим его. Оно уже довольно хорошо отражает предметы, но часть его поверхности остается пока более матовой, чем остальная. Обычно это бывает на краю зеркала или на некоторой средней зоне. Эти матовые зоны говорят о том, что поверхность зеркала не вполне сферическая. В микроскоп видно, что большие площадки стекла уже полностью отполированы, но часть поверхности занимают ямки матовой поверхности. Пройдемся взглядом по радиусу зеркала. Если остатки матовости занимают примерно везде одинаковую площадь, дело идет хорошо. Если в относительно матовых участках зеркала площадь ямок занимает всю поверхность, а полированных участков нет или почти нет, продолжим полировку еще 1--2 часа и снова осмотрим зеркало в микроскоп вдоль радиуса. Если матовые участки не полируются, нужно возвратиться к тонкой шлифовке. Теперь становится ясно, почему не следовало полировочную смолу наливать на шлифовальник. Отложив полировальник в сторону, можно вернуться к шлифовке. Мы знаем, как оценить размер ямок в поле зрения микроскопа и как подобрать подходящий для шлифовки абразив. Разумеется, надо ориентироваться по самым большим ямкам, которые встречаются достаточно часто. Отдельные, даже очень глубокие, ямки можно не принимать во внимание.
Впрочем, будем смотреть в будущее с большей верой в успех, так как описанная неприятность встречается относительно редко, и неравномерная вначале полировка постепенно становится все лучше.
Дадим несколько дополнительных советов. Когда зеркало продолжает долго цепляться за смолу, можно прибегнуть к довольно эффективному средству. Разогреем полировальник в теплой воде, положим на смолу кусок смоченного в воде тюля, расправим его и прижмем зеркалом. Оставим зеркало на полировальнике до его остывания. Сняв зеркало и тюль, увидим, что на поверхности каждой фасетки появилась сеточка мелких канавок. Теперь каждая из этих крошечных фасеток работает как самостоятельный полировальник, и полировка идет чрезвычайно равномерно по всем зонам зеркала. Бывает достаточно один раз отформовать эту сетку канавок и дать им свободно заплыть в ходе полировки.
При ручной полировке с достаточным давлением стекло типа крон -- наиболее распространенный материал любительских зеркал -- сполировывается со скоростью 2--3 мкм в час. Для увеличения скорости полировки в 1,5 раза можно вместо воды применять 1%-ный водный раствор хлорного железа, хлорного цинка или азотнокислой меди.
Прерывая полировку на несколько часов, лучше всего оставить зеркало на полировальнике, предварительно подмазав его полиритом с водой. Если дополнительно обмотать зеркало и полировальник мокрым полотенцем, можно оставить зеркало на полировальнике на сутки. Если полировальник вместе с зеркалом положить в тазик с водой, чтобы они полностью погрузились в воду, можно их не вынимать 2--3 дня. Если все-таки после того, как они будут вынуты, зеркало и полировальник не разъединяются, нужно их слегка нагреть в теплой воде, а потом подставить зеркало под струю холодной воды. Надо следить за тем, чтобы, во-первых, перепад температуры был не слишком велик и, во-вторых, чтобы внезапно отделившееся зеркало не выскользнуло из рук. Все эти работы надо проводить прямо у самого дна водопроводной раковины.
В ходе полировки зеркало должно не только совершенно освободиться от матовости, но и приобрести оптически точную форму. Для контроля формы поверхности зеркала применяют теневой метод Фуко.
Уильям Гершель, так же как и другие телескопостроители тех времен, полировали свои зеркала в значительной степени вслепую. Удачное зеркало было во многом делом случая, так как до середины XIX в. у телескопостроителей не было надежного метода контроля формы зеркал. Лишь в 1859 г. великий французский физик Леон Фуко предложил гениальный метод контроля вогнутых оптически точных поверхностей. Этот метод столь же изящен по своей идее, сколь чувствителен и надежен на практике. Его суть сводится к следующему.
Леон Фуко (1819--1868),
Близ центра кривизны О (на удвоенном фокусном расстоянии) вогнутого зеркала (рис. 21) устанавливается крошечный, но яркий источник света ("искусственная звезда") М. Этой звездой может служить маленькая (0,1--0,3 мм) дырочка в кусочке алюминиевой фольги, которой оборачивают лампочку карманного фонарика. Лампочка может быть вставлена в патрон от елочной гирлянды или просто припаяна к проводам, ведущим к батарейке. Так как "искусственная звезда" установлена вблизи центра кривизны зеркала (чуть сбоку от оси зеркала), зеркало строит ее изображение также вблизи центра кривизны, но по другую от оси сторону. Если позади изображения "искусственной звезды" поместить глаз, чтобы весь пучок света "провалился" в зрачок, мы увидим, что зеркало равномерно по всей поверхности залито светом "звезды".
Рис. 21. Вид теневой картины на зеркале при различном положении ножа. 1 -- нож точно в центре кривизны сферического зеркала, 2 - положение ножа перед центром кривизны, 3 - положение ножа за центром кривизны.
Это и понятно: ведь в этот момент все без исключения лучи "звезды", отраженные зеркалом, соберутся в зрачке. Представим себе, что мы испытываем идеальное сферическое зеркало. Это значит, что лучи, отраженные каждым участком зеркала, каждой его зоной, все соберутся в точке фокуса*
*) При описании метода Фуко словом "фокус" обозначается фокус сферической волны, расположенный в центре кривизны сферы, а не главный фокус зеркала.
Осторожно введем непрозрачный экранчик с острым (без зазубрин) краем (например лезвие безопасной бритвы) в вершину конуса лучей, чтобы перекрыть изображение "звезды". Одновременно смотрим на зеркало, чтобы оно оставалось равномерно освещенным.
Если лезвие вводить очень осторожно, чтобы оно перекрыло только часть изображения "звезды", зеркало померкнет лишь отчасти, но также по всей поверхности одновременно. Важно понять, что в построении каждого участка изображения "звезды", даже если это изображение дифракционное, участвует вся поверхность идеального сферического зеркала. Именно поэтому, какую бы часть изображения мы ни перекрыли, зеркало будет гаснуть одновременно по всей поверхности.
Теперь несколько изменим опыт. Введем лезвие, которое принято называть ножом Фуко, в конус лучей до их пересечения в фокусе. Нож расположен в этом случае на 1--2 см ближе к зеркалу. Это положение называется предфокальным. Если теперь мы посмотрим на зеркало (конечно, оставляя глаз все так же в пучке света), то увидим, что часть зеркала погасла, тогда как другая часть его по-прежнему освещена лампой. Если нож введен справа, то погаснет правая часть. Это происходит потому, что нож пересек часть пучка, идущую от правой части зеркала.
Еще раз изменим наш эксперимент. Введем нож в пучок позади изображения "звезды". Теперь при введении ножа справа гаснет левая часть зеркала. Это происходит потому, что после пересечения в точке лучи, идущие с левой стороны зеркала, оказываются справа от оптической оси.
Сформулируем важное правило: если нож вводится в пучок справа в предфокальном положении, то гаснет правая часть зеркала. Если нож вводится в пучок справа в зафокальном положении, то гаснет левая часть зеркала.
Иначе говоря, в предфокальном, положении тень ножа на зеркале движется в ту же сторону, что и нож, а в зафокальном положении тень движется навстречу ножу.
Теперь сосредоточим все внимание. Допустим, что зеркало -- не идеальная сфера, а имеет завал на краю и яму в центре. В этом случае радиус кривизны центральной части короче радиуса кривизны края зеркала. Это означает, что и фокусное расстояние центра короче фокусного расстояния краев; фокус некоторой промежуточной зоны окажется где-то между фокусами центра и края.
"Поймаем" глазом пучок чуть дальше фокусов всех зон и снова введем нож в районе фокуса промежуточной зоны. Очевидно, что для крайней зоны положение ножа окажется предфокальным, и на краю зеркала тень разместится справа. Для центральной зоны это же положение ножа окажется зафокальным, и в центре зеркала тень расположится слева от вертикальной оси симметрии.
На промежуточной зоне, в фокусе которой находится нож, мы увидим "полутень", когда поверхность гаснет лишь отчасти.
Окинув взглядом все зеркало, мы увидим, что зеркало сейчас напоминает не то лунный кратер (как кажется автору книги), не то бублик (как кажется другим любителям). Мы явно видим "яму" в центре и "вал" на средней зоне тогда, как край зеркала "опущен" или "завален".
Задача оптика состоит в том, чтобы, рассматривая теневой "рельеф", решить, как нужно изменить ход полировки, чтобы снивелировать "бугры", "ямы", "канавки", "валики" и получить "плоский" теневой рельеф. Именно плоский теневой рельеф соответствует идеальной сфере.
Рис. 22. Простая оправа зеркала для теневых испытаний.
Прежде чем мы приступим на практике к первым теневым испытаниям зеркала, надо изготовить простое приспособление, без которого испытания превратятся в настоящую пытку. Это оправа для зеркала. Она служит для того, чтобы удерживать зеркало в вертикальном положении, и позволяет наклонять его в небольших пределах (рис. 22). Две взаимно перпендикулярные доски скреплены так, что нижний край вертикальной доски слегка выступает. На свободном конце горизонтальной доски привернем парой коротких шурупов или прибьем гвоздями 3--миллиметровую пластину из стали или латуни; если пластина из алюминия, то она должна быть потолще.
В пластине просверлим отверстие и нарежем резьбу. В это отверстие ввернем винт, который пропустим насквозь через доску. Теперь наше приспособление опирается на края вертикальной доски и на кончик винта. Вращая винт в ту или иную сторону, мы сможем в небольших пределах наклонять вертикальную доску, а вместе с ней и зеркало. В вертикальную доску вобьем два гвоздя, к которым привяжем широкую тесьму. Длина тесьмы должна быть такой, чтобы зеркало, вложенное в нее, оказалось примерно в середине доски. Чтобы зеркало не опрокидывалось, в торце доски вобьем еще по гвоздику, к которым привяжем резинку. Эта резинка будет прижимать зеркало к доске. Итак, в нашем распоряжении оказалась довольно удобная оправа зеркала, которая позволит вам слегка его наклонять и поворачивать.
Прежде всего немного усовершенствуем искусственную звезду. В трубку диаметром около 10 мм вставим патрончик от елочной гирлянды так, чтобы ввернутая лампочка оказалась в самом начале трубки. Далее установим зеркало в оправе на устойчивый стол и отмерим от его поверхности вдоль оптической оси (оси симметрии зеркала) два его фокусных расстояния. Для фокусного расстояния 1200 мм это составит 2400 мм. В этой точке, которая является центром кривизны поверхности зеркала, установим трубку с лампочкой, чтобы она освещала зеркало. Затемним комнату шторами или займемся этим вечером в неосвещенной комнате. Поворачивая и наклоняя зеркало, а также передвигая вправо или влево лампочку, добьемся того, чтобы изображение волоска лампочки оказалось рядом с самой лампочкой. Для этого рядом с трубкой установим белый экран шириной 4--5 см и высотой 10--15 см с небольшим отверстием в верхней части диаметром 5--6 мм. Когда изображение волоска лампочки окажется на экране, двигая экран взад и вперед, добьемся того, чтобы изображение волоска оказалось достаточно резким. Наклоняя зеркало и перемещая экран, добьемся того, чтобы изображение волоска "проваливалось" в отверстие. Расположившись сзади экрана, будем смотреть через отверстие на зеркало. Мы увидим сквозь отверстие изображение волоска, которое "висит" в нем. Не теряя это изображение из виду, будем приближать постепенно глаз к отверстию в экране. При этом мы заметим, что видимые размеры волоска растут. Приближаем глаз до тех пор, пока яркое изображение не заполнит всю поверхность зеркала. Это означает, что изображение волоска оказалось на хрусталике глаза и все без исключения лучи, отраженные зеркалом, собираются в глазу. Вообще же волосок лампочки --слишком грубый объект для таких испытаний. Поэтому продолжим усовершенствование искусственной звезды. Сделаем к нашей трубке
Рис. 23. Простой теневой прибор.
1 -- искусственная звезда, 2 -- трансформатор, 3 -- экран,
4 -- лезвие бритвы; 5 -- основание.
с лампочкой крышку с отверстием около 1--1,5 мм в диаметре (рис. 23 слева). С внутренней стороны приклеим к крышке кусочек фольги, в котором иглой проткнем крошечное отверстие диаметром примерно 0,1--0,3 мм. Чтобы отверстие не получилось слишком большим, положим кусочек фольги на стекло и прикоснемся к ней иглой. Сняв крышку мы работаем с волоском лампы, надев ее -- со "звездой".
Много времени, особенно у начинающих, тратится на то, чтобы поймать глазом изображение искусственной звезды и добиться того, чтобы вся поверхность зеркала была равномерно залита светом. Мне хорошо известно, что многие начинающие любители настолько изматываются поисками "звезды", что на собственно испытания ножом Фуко у них не остается сил. Здесь я хочу обратить внимание на то, что испытания без помощи ножа совершенно бессмысленны.
Мы ввели в традиционную схему Фуко "звезду" со съемной крышкой и белый вертикальный экран с отверстием, чтобы значительно облегчить поиски изображения "звезды".
Кстати говоря, нож Фуко можно крепить прямо на отверстии, чтобы он делил его пополам, как показано на рисунке. Тогда работа еще больше упростится.
Поймав зрачком изображение волоска лампочки, надеваем крышку со "звездой" и, добившись того, чтобы все зеркало было залито светом, вводим лезвие
Рис. 24. "Чтение" тоневой картины.
При введении ножа справа зеркало имеет такой теневой рельеф, как если бы оно было освещено лампой слева. Ниже показаны видимый рельеф (а) и действительная фигура зеркала -- силовая линия (б) Кривизны сильно преувеличены
ножа в пучок света, держа нож в 1--4 см от глаза и без напряжения глядя на зеркало, но не на нож!
Договоримся, что всегда будем вводить нож справа налево, хотя в большинстве руководств предлагается вводить его с обратной стороны. Мы отступаем от этою потому, что в противном случае при наблюдении правым глазом мешает нос и очень трудно разместить глаз близко к лезвию. Есть и вторая причина. Сам Фуко вводил нож также справа налево, о чем можно судить по рисункам теневых картин, которые остались после его смерти [26]. Д. Д. Максутов, судя по конструкции теневого прибора, описанного в его монографии [3], также предпочитал движение ножа в этом направлении. Нам важно это для того, чтобы в дальнейшем специально не оговаривать направление движения ножа.
Рассмотрим снова теневую картину зеркала с завалом на краю и с ямой в центре. Кстати говоря, это одна из самых распространенных ошибок поверхности зеркала. Представим на минутку, что перед нами не кусок стекла, а гипсовая модель рельефа, которую освещает сбоку косым светом настольная лампа. Лампа расположена всегда так, что ее свет направлен на зеркало-модель навстречу движению ножа (рис. 21 и 25). Поскольку мы условились, что нож всегда движется справа налево, воображаемая лампа всегда будет освещать воображаемую гипсовую модель слева. Нетрудно видеть, что зеркало имеет именно яму (а не бугор) в центре и заваленный край.
Легко догадаться, что если на таком зеркале сполировать валик, напоминающий бублик, то мы получим совершенно одинаковые радиусы кривизны и фокусные расстояния для всех зон, и теневой рельеф превратится в "плоский".
Каким бы ни был рельеф в начале испытания, наша задача превратить его в плоский. А все "валики" и "бугры" означают, что в данной зоне радиус кривизны больше некоторого среднего, "ямы" же и "канавы" означают, что здесь радиус кривизны короче.
Особое внимание нужно обратить на то, что чувствительность метода максимальна только в том случае, когда нож расположен вблизи центра кривизны зеркала, когда точки схождения лучей от одних зон ближе ножа, а от других -- дальше. В этом случае на части зон тень надвигается навстречу ножу, на других зонах -- в том же направлении, что и нож. Только в таком положении теневой метод имеет ту чувствительность, о которой мы говорили.
Чтобы быть уверенным в том, что нож находится именно в таком положении, поступим следующим
Рис. 25. Теневой прибор и теневая картина при горизонтальном расположении ножа.
а) Стойка ножа с грубым вертикальным перемещением ножа. б) Для тонкого перемещения ножа по вертикали чуть косо установленное лезвие перемещается горизонтально.
Рис. 26. Изменение вида теневой картины при перемещении ножа вдоль оси зеркала.
а) Предфокальное положение, б) положение вблизи фокуса, в) зафокальное положение, г) теневой рельеф.
образом. Сначала поместим нож в предфокальном положении для всех зон, так что на всех зонах тень будет двигаться в том же направлении, что и нож (рис. 26, а). Не выводя ножа из пучка лучей, или, что все равно, не теряя тени ножа на зеркале, начнем отодвигать нож от зеркала. Граница тени будет становиться все менее резкой, и при малейшем поперечном движении она будет сходить с зеркала. Это и понятно: по мере того как нож приближается к вершине конуса лучей, поперечное сечение конуса становится все меньше и меньше, и нож
очень легко выходит за его пределы. Проведем нож еще дальше от зеркала, пока тень не окажется на всех зонах на противоположной стороне зеркала. Теперь при поперечном движении ножа она движется навстречу ножу (рис. 26, в), это значит, что нож оказался дальше фокусов всех зон.
Начнем снова приближать нож к зеркалу. Тень становится все более нерезкой, ее граница -- полутень-- заполняет все большую площадь. Наконец, мы увидим, что полутень разбежалась по некоторым зонам, тогда как; тень заполнила другие зоны (рис. 26, б).
При поперечном движении ножа теневая картина немного меняется (рис. 27). Поэтому, чтобы добиться наиболее верного представления о теневой картине, а заодно добиться максимальной чувствительности, будем стараться, чтобы суммарная площадь тени, двигающейся в том же направлении что и нож, приблизительно равнялась площади теней, движущихся навстречу ножу (рис. 27, б).
Когда нож находится вблизи точка фокуса, он пересекает очень тонкий пучок света. Сечение пучка становится все меньше по мере того, как поверхность зеркала приближается к сфере. Чтобы сделать введение ножа в пучок света более плавным, достаточно
Рис. 27. Изменение теневой картины при перемещении ножа поперек оси зеркала.
а) Нож коснулся пучка, б) нож в наивыгоднейшем положении, в) нож перекрыл значительную часть пучка.
нажимать на край основания теневого прибора. В результате нож чуть-чуть наклонится в ту же сторону и плавно войдет в пучок,
Приступаем к безусловно самой интересной части изготовления астрономического зеркала: фигуризации -- придания его поверхности строго сферической формы с точностью, о которой не раз говорили. Именно сейчас мы сможем продемонстрировать, на что способен оптик в сравнении с рабочим, обрабатывающим металл. Именно сейчас мы постараемся получить (и наверняка получим) точность не ниже 0,05 мкм, а может быть, и выше.
Есть много факторов, влияющих в ходе полировки на форму зеркала. Это длина штриха, его форма, скорость перемещения зеркала по поверхности полировальника, неоднородность смолы, наличие ямок на поверхности смолы; это и специальные методы воздействия на форму зеркала -- подрезка, формовка полировальника и др. Результаты большинства этих методов трудно воспроизводимы. Получив однажды хороший результат, мы не сможем его получить во второй раз, как бы ни старались. Наиболее разумный способ управлять процессом - свести к минимуму число непостоянных факторов, оставив 2-3, которыми пользоваться всегда, и получить максимальный опыт их применения. Остальные факторы должны оставаться неизменными на протяжении всего процесса фигуризации. Рассмотрим основные из этих факторов. Форма штриха - лучше прямолинейная с центральным положением полировальника в начале штриха. Криволинейный штрих приведет к завалу края. Штрих по хорде также приводит к завалу. Длина штриха должна составлять около 1/3 диаметра зеркала при смещении всегда в одну сторону. Увеличенный штрих приводит к завалу на краю, укороченный--к подвернутому краю. Так как исправление завала гораздо сложнее, чем подвернутого края, многие любители при полировке переходят на штрих около 1/4 диаметра.
Большую роль играет твердость смолы. Твердость зависит от содержания канифоли и от рабочей температуры полировальника. Слишком мягкая смола полирует быстрее, но на ней легко возникает завал края. Твердая смола позволяет быстрее получить сферу, но вероятность царапин при полировке твердой смолой возрастет.
Неоднородность смолы приводит к появлению зональных ошибок в виде "валиков" и "канав". Неоднородность может быть результатом плохого перемешивания смолы во время варки или в результате неравномерного нагрева во время работы. Обычно крайние зоны разогреваются сильнее центральных и слегка "проседают".
Такой фактор, как неоднородность поверхности полировальника, появляется, например, во время его формовки, когда смола слишком размягчена и крошечные пузырьки воздуха, оказавшиеся между зеркалом и полировальником, выдавливают на поверхности смолы ямки, которые в дальнейшем довольно трудно устранить. Для того чтобы устранить ямки, рассыпанные по поверхности полировальника, отформуем полировальник с куском тюля, как это описано на выше. В ходе полировки сетка мелких канавок заплывает.
Еще одна неприятность может заключаться в том, что канавки на поверхности полировальника расположены симметрично относительно центра полировальника. Это приводит к тому, что на одних зонах сполировывание идет быстро, на других медленно. В результате появляются зональные ошибки. На форму зеркала воздействуем следующими способами:
1. Обнаружив на зеркале во время теневых испытаний "яму" или "канавку", отмечаем соответствующую зону на полировальнике и "ослабляем" ее, соскоблив небольшие участки смолы вдоль этой зоны. Эта процедура называется "подрезкой" полировальника (рис. 28, г - 2, 4, 6, 7, 8, 10). Глубина соскобленных участков -- около 0,5 мм. Продолжим полировку. Очевидно, что ослабленные зоны полировальника будут полировать медленнее, поэтому остальные зоны опустятся до уровня "дна канавки". Полируя на подрезанном полировальнике, надо контролировать поверхность на теневом приборе каждые 10--15 минут, так как подрезка -- средство довольно сильное. Незадолго до полного исчезновения канавки заново отформуем полировальник, помня, что после устранения подрезки полировальник некоторое время продолжает "по инерции" работать в том же режиме. Можно поступить иначе. Вырезать из ватмана кольцо того же диаметра и несколько меньшей ширины, что и "канавка". Разогреть полировальник в теплой воде, уложить на него смоченное водой кольцо и отформовать все вместе (рис, 28, д -- 2, 4, 6, 7, 8, 10). На поверхности полировальника появится углубление, которое не будет полировать вообще. Особенно хорошо так устраняются яма в центре и завал на краю. Незадолго до полного исчезновения канавки заново формуем полировальник зеркалом.
2. В тех случаях, когда мы имеем дело с "буграми" и "валиками", лучше применить местную ретушь -- сполировывание бугра маленьким полировальником. Этот полировальник может быть куском металла или пластмассы, на которую наклеен кусочек фетра, войлока, твердой резины или кожи. Диаметр полировальника должен составлять 1/2--1/3 ширины "валика". В простейшем случае это может быть просто палец. Смачиваем поверхность зеркала вдоль валика, набираем на палец полирит или смазываем полиритом полировальник и начинаем петлеобразными движениями
Рис, 28. Зональные ошибки зеркала и, способы их устранения. а) Теневая картина Фуко, б) теневая картина Ронки (см Ї 29), в) теневой рельеф, г) подрезка полировальника и местная ретушь, д) специальная формовка полировальника. 1 - идеальная сфера с "плоским" теневым рельефом, а - завал края, а - подвернутый край, 4 - яма в центре, 5 - бугор в центре, 6 - яма в центре и завал края, 7 - подвернутый край и бугор и центре, 8 - канавка, 9 - валик, 10 - яма в центре и канавка.
полировать с большим давлением (рис, 28, г -- 3, 5, 9). Важно ни в коем случае не выходить за пределы зоны, которую мы полируем. Ретушь идет быстро. Опасность сполировать больше, чем надо, очень велика. Поэтому зеркало надо контролировать во время местной ретуши каждые 1--3 минуты, если ретушируется центральный валик или зона небольшого диаметра, и каждые 3--5 минут при сполировывании зоны на краю.
Вместо высокого валика после ретуши получается масса мелких местных ошибок на протяжении всей зоны. По абсолютной величине они гораздо мельче валика. Чтобы их устранить, продолжим полировку на смоляном полировальнике, предварительно отформовав его.
Если зеркало имеет большое число (3--6) зональных ошибок, можно применить полировку по хорде (1/3 диаметра от центра), Такая полировка ведет к быстрому сполировыванию зональных ошибок, но чревата возникновением завала на краю, Поэтому после 3--5 минут полировки по хорде возвращаемся на 15--30 минут к полировке через центр, проверяя после каждого сеанса полировки по хорде зеркало на теневом приборе и обращая большое внимание на край зеркала.
Так как завал края возникает почти при любом нарушении режима полировки, предусмотрим небольшую, но надежную меру для его предупреждения. На зоне примерно в 3--5 мм шириной на самом краю полировальника резко расширим канавки, ослабив па этой зоне полировальник (рис, 28, д - 2). После этого возможно появление подвернутого края, но эта ошибка устраняется очень легко простым увеличением длины штриха. Однако, до возникновения подвернутого края полируем обычным образом.
Процесс фигуризации и теневых испытаний трудно разделить на составляющие -- это единый творческий процесс, где решающую роль часто играют не только знания, но и интуиция. Вообще, этот процесс настолько интересен сам по себе, что автор, например, часто не торопится с окончанием, пробуя работать и так и этак, находя большое удовольствие в процессе фигуризации, хотя, спору нет, вид совершенно плоской теневой картины--зрелище потрясающее.
В процессе полировки, по словам Дж. Маттьюсона [22], "всегда есть элемент мистики". Отчасти это объясняется тем, что процесс полировки во многом недостаточно изучен, но отчасти и тем, что мастеру самому часто хочется немного мистики, когда фигуризация перестает быть просто технологией, а становится в значительной степени искусством. Не зря Д. Д. Максутов [3] говорил, что оптик предпочитает "колдовать" над самодельной смолой полировальника, не доверяя заводской смоле. (Правда, если вам представится возможность приобрести заводскую полировальную смолу, надо это сделать). Нередко успех дела решает творческий порыв, и чтобы для творчества оставалось побольше времени, надо предупредить причины, которые явно приводят к неприятностям.
Вибрацию зеркала и теневого прибора от проходящего по улице транспорта и ходьбы по комнате можно в значительной мере снизить, если и зеркало, и теневой прибор будут установлены на "оптической скамье". Это может быть толстая доска длиной немного более радиуса кривизны зеркала. Еще лучше, если это будет короб из относительно тонких (40--45 мм) досок. Конечно, такое приспособление трудно держать в квартире, но кружок телескопостроения просто обязан иметь хорошую оптическую скамью. Надо сказать, что вредны не вообще вибрации, а вибрации теневого прибора относительно зеркала. Их-то и можно в значительной степени снизить, применив единое основание.
Турбуленция -- вихреобразные движения воздуха также сильно мешают, затушевывая подлинную теневую картину. Можно проделать такой опыт: на фоне хорошего сферического зеркала поместить руку. Глядя на нее с помощью прибора Фуко, мы легко увидим струи теплого воздуха, которые поднимаются над черным силуэтом руки. Надо постараться разместить всю установку в стороне от отопительных батарей, окон и других источников сквозняков. Если это сделать трудно, можно пучок лучей поместить в подходящую трубу, закрытый короб или под одеяло, повешенное на две рейки.
В ходе полировки зеркало нагревается неравномерно это служит источником других ошибок. После окончания полировки перед началом теневых испытаний надо дать зеркалу "отстояться", чтобы вся его масса прияла температуру окружающего воздуха. 150-мил-лиметровое зеркало требует примерно пятиминутного отстаивания. На последних стадиях полировки 300-миллиметровое зеркало автора отстаивалось 15--20минут. Так как поверхностная яркость теневой картины невелика, испытания надо проводить в темноте. Однако полная темнота нежелательна, поэтому надо позаботиться о слабом освещении, которое позволило бы легко ориентироваться, но не мешало бы чтению теневых картин.
Дифракционные отклонения лучей на краю зеркала могут быть приняты за завал на краю. В действительности эта узкая (2--3 мм) светлая полоска -- проявление волновой природы света. Она видна и на светлой и на теневой сторонах зеркала и этим отличается от завала. Впрочем, если она видна только с одной стороны, можно установить на фоне зеркала карандаш параллельно ножу и, рассматривая дифракцию на краю карандаша и сравнивая ее со светлой полоской на краю зеркала, решить, что же это в действительности. Итак, мы изложили достаточно сведений для того, чтобы читатель мог самостоятельно изготовить сферическое зеркало для своего телескопа. Если на зеркале виден совершенно плоский рельеф -- зеркало первоклассное, если едва заметные признаки теневого рельефа -- оно также первоклассное. Мы помним, что при предфокальном и зафокальном положениях ножа тень на зеркале располагается с одной стороны зеркала, справа или слева. В промежутке между этими положениями на зеркале виден теневой рельеф. Назовем положение ножа, когда он из предфокального положения переходит в положение, при котором на зеркале становится виден теневой рельеф, критическим предфокальным положением ножа, а аналогичное положение ножа между зафокальным положением и положением, когда появляется теневой рельеф,-- критическим зафокальным положением. Рис. 29 показывает серию теневых картин, на которой видно постепенное изменение теневого рельефа по мере продвижения ножа вдоль оптической оси. Критические положения ножа -- а и д. Назовем отрезок оптической оси между критическими положениями ножа продольной аберрацией зеркала.
Эта аберрация вызвана ошибками зеркала. На практике это означает, что когда мы осторожно перемещаем нож вдоль оптической оси, например, удаляя от зеркала, и при этом проходим оба критических положения, то длина перемещения ножа, когда тень ножа справа
Рис. 29. Испытание параболического зеркала по зонам. а) Критическое предфокальное положение ножа. Полутень занимает центральную зону зеркала, б) перемещение ножа на 0,25 от величины продольной аберрации зеркала, диаметр полутени равен 50% диаметра зеркала, в) перемещение ножа на 0,5 величины продольной аберрации, диаметр полутени -- 70% диаметра зеркала, г) перемещение ножа на 0,75 продольной аберрации зеркала, диаметр полутени--87% диаметра зеркала, д) критическое зафокальное положение ножа, полутень лежит на краю зеркала, е) маска из проволоки, надеваемая на зеркало для разметки последнего на зоны (см. Ї 28).
полностью переместится на левую часть зеркала, и есть продольная аберрация зеркала. Если продольная аберрация сферического зеркала в силу наличия зональных ошибок равна для 150--180-миллиметрового зеркала 2--2,5 мм, то зеркало можно считать вполне хорошим. Правда, надо уточнить, что в этом случае допускаются ошибки в сторону завала края, но не в сторону подвернутого края.
Важно отметить, что зеркало должно иметь обязательно плавную форму без резко выраженных зон и "переломов".
В идеале зеркало должно иметь параболическую форму, но если отступления сферы от параболоида не превышают 1/8 длины волны света, то такая сфера работает точно как параболоид. Параболоид имеет кривизну, меньшую на краях, чем в центре. Это означает, что при испытании теневым прибором, когда "звезда" и нож расположены в центре кривизны, теневая картина для параболоида должна иметь такой же вид, как для зеркала с завалом на краю (см, рис. 29, в). Этот завал -- не любой, а совершенно точно рассчитанный. Разница положений центров кривизны центральной и крайней зон равна
где D -- диаметр зеркала в миллиметрах, а R -- радиус кривизны. Для нашего зеркала эти величины равны 150 мм и 2400 мм соответственно. Продольная аберрация этого параболоида при испытании из центра кривизны равна 2,3 мм. В предфокальном критическом положении ножа на теневой картине виден "бугор" с плоской вершиной -- правую часть занимает на всех зонах тень, а на центральной зоне полутень. По мере передвижения ножа дальше от зеркала становится виден завал, напоминающий бублик. Этот "бублик" лучше всего виден, когда нож находится между двумя критическими положениями, точно посередине. Его "вершина", однако, явно смещена со средних зон ближе к краю зеркала. Расчеты показывают, что при положении ножа точно посередине между критическими положениями "вершина" "бублика" находится на расстоянии 0,7 радиуса заготовки зеркала, в нашем случае для 150-миллиметрового зеркала "вершина" расположена на расстоянии 53 мм от его центра. Наконец, когда нож подойдет к зафокальному критическому положению, вся тень, кроме ободка полутени, на краю зеркала, займет положение на левой стороне зеркала.
Если нам удастся искусственно исказить плоский рельеф так, чтобы он принял форму плавного без "переломов" (резко выраженных зон) "бублика", то это будет означать, что нам удалось из сферы получить параболоид. Еще раз напомним, что не любой завал, а только плавный "бублик" с "вершиной" на расстоянии 0,7 радиуса от центра заготовки зеркала и с заданной продольной аберрацией и есть параболоид.
Рис. 30. Теневые рельефы одного и того же параболического зеркала при различных положениях ножа. Буквенные обозначения те же, что и на рис. 29.
Чтобы получить плавную яму в центре и "опустить" края, надо увеличить кривизну в центре зеркала, чтобы она постепенно уменьшалась при переходе от центра к краю (рис. 30). Для того чтобы получить такую яму, есть несколько способов.
1.Найдем квадратик на полировальнике, центр которого лежит примерно на зоне 0,7r Соскоблим его на толщину 0,5 мм. Каждые 10 минут контролируем зеркало на теневом приборе (рис. 31, а).
2. Расширим канавки на краю, но оставим их нетронутыми в центре до зоны 0,3, как показано на рис. 31, б. Каждые 10 минут контролируем зеркало.
3. Соскоблим тонкий слой (0,5 мм) смолы небольшими участкам в среднем по 1--2 см2 с таким расчетом, чтобы полировальник более всего оказался ослабленным на зоне 0,7. В центральной зоне и на самой крайней зоне оставляем полировальник нетронутым (рис. 31, в). Полируем на подрезанном полировальнике и контролируем зеркало теневым прибором каждые 15 минут.
4. В бумажном круге, наружный диаметр которого на 15--20 мм больше диаметра полировальника, вырежем звезду, как показано на рис. 31, г. Смочим круг водой и наложим на подогретый в воде полировальник. После этого формуем полировальник зеркалом, положив зеркало на смолу, а на зеркало груз. После 3--5 минут такой формовки снимаем груз и в течение 5--10 минут "полируем" без крокуса, не снимая круга. После этого круг снимаем. На поверхности полировальника выдавится звезда. Она и сделает углубление в центре зеркала.
При полировке на подрезанном или отформованном полировальнике возможны зональные ошибки.
Рис. 31. Способы воздействия полировальником на зеркало во время параболизации.
а) Подрезка квадратика на 70%-ной зоне, б) расширение канавок на краю, в) подрезка 70%-ной зоны, г) формовка звезды.
Если это "валик", сполируем его местной ретушью. Если "канава", увеличим подрезку этой зоны.
Исследуя зеркало с помощью тоневого прибора, надо тщательно следить за краем, так как сейчас легко просмотреть непредусмотренный завал края, который выглядит узкой полоской, резко увеличивающей радиус кривизны крайней зоны. Для того чтобы его предупредить, расширим канавки на зоне шириной 3--5 мм на краю полировальника, как это указывалось раньше.
До сих пор в качестве источника света мы использовали точечный источник-- искусственную звезду. Лучше, однако, применить узкую щель (рис.32,а). Ее ширина около 0,1 мм, а длина 2--4 мм. В простейшем случае на алюминированном кусочке стекла, или
Рис. 32. Усовершенствование теневого прибора. 1 -- лампочка, 2 -- конденсор, собирающий свет лампы, 3 -- щель, 4 -- испытуемое зеркало, 5 -- изображение щели, 6 -- нож Фуко, 7 -- окно, 8 -- изображение окна.
на стекле, покрытом непрозрачным лаком, проводим лезвием бритвы царапину. Эта щель дает гораздо больше света, и яркость теневого рельефа сильно возрастает. Нож в этом случае должен быть расположен строго параллельно щели. Характер теневой картины от этого никак не меняется.
Можно вместо щели использовать светящийся квадратик или прямоугольничек -- матовое стекло, освещенное сзади лампой и ограниченное маской примерно 3 Х 3 мм (рис. 32, б). В этом случае ловим глазом изображение светящегося окна и вводим нож параллельно одной из сторон изображения. В тот момент, когда незакрытой останется только узенькая щель, глаз увидит на экране контрастную теневую картину.
Испытания параболоида требуют плавного перемещения ножа и замеров положения ножа или, иначе, замеров продольных аберраций различных зон зеркала. В простейшем случае передний край площадки, на которой укреплен нож, должен иметь острый срез. При движении ножа площадка перемещается по листу миллиметровки, и любитель делает остро отточенным карандашом пометки на бумаге.
В более совершенном приборе нож перемещается по направляющей, а его перемещения измеряются часовым (дисковым) индикатором или нониусным устройством, например штангенциркулем.
Если нож и искусственная звезда отстоят далеко от оптической оси зеркала и, следовательно, друг от друга, то изображение "звезды" будет отягощено аберрациями, называемыми комой и астигматизмом. Не вдаваясь в подробности, отметим, что это приведет к усложнению теневой картины даже на идеальном зеркале. Поэтому надо стремиться к тому, чтобы расстояние
Таблица 9
|
2f |
D |
|||
|
110 |
150 |
200 |
250 |
|
|
3000 |
53 |
37 |
27 |
22 |
|
2700 |
45 |
32 |
23 |
18 |
|
2400 |
38 |
26 |
20 |
16 |
|
2100 |
30 |
21 |
16 |
13 |
|
1800 |
24 |
17 |
13 |
10 |
|
1500 |
18 |
12 |
10 |
8 |
между ножом и "звездой" в проекции на зеркало было как можно меньше. Роберт Мейджи рассчитал [20] предельные расстояния между "звездою" и ножом, при которых теневая картина еще не искажается. Эти данные приведены в табл. 9, в которой по горизонтали отложены диаметры D зеркал, а по вертикали -- радиусы кривизны 2f (и то и другое в миллиметрах).
Как видно из таблицы, чем светосильнее зеркало и чем меньше его фокусное расстояние, тем ближе друг к другу должны находиться нож и "звезда". Для больших зеркал, имеющих, как правило, большое относительное отверстие (малый относительный фокус) нож и "звезда" расположены гак близко, что их приходится устанавливать на едином основании. В этом случае, при перемещении ножа перемещается и "звезда" (рис. 33). Если мы двигаем нож к зеркалу, к зеркалу же движется и "звезда". Но это означает, что по мере того, как "звезда" приближается к зеркалу, изображение "звезды" с такой же скоростью удаляется от зеркала. Таким образом, нож встречает изображение "звезды" со
Рис. 33. Совершенный теневой прибор.
1 -- осветитель с конденсором, 2 -- щель и нож, 3 -- винт вертикального движения, 4 -- винт продольного движения, 5 -- часовой (дисковый) индикатор.
скоростью в два раз большей, чем в случае с неподвижной "звездой". За то же время он проходит расстояние в два раза меньшее, и отсчет будет в два раза меньше. Поэтому нам всегда надо иметь в виду, как устроен теневой прибор: подвижна или неподвижна его "звезда". В нашем первом теневом приборе "звезда" оставалась неподвижной. Отчасти это объясняется тем, что в этом случае в два раза легче снимать отсчет, а с другой стороны, допустимое расстояние между ножом и "звездой" достаточно велико. В случае нашего 150-миллиметрового зеркала, например, оно не должно быть больше 26 мм.
Однако продольная аберрация параболического зеркала при испытании из центра кривизны теневым прибором с совмещенными "звездой" и ножом вдвое меньше:
В идеале расстояние между, щелью и ножом должно быть равно нулю. На первый взгляд технически это сделать невозможно. Однако в Новосибирском клубе построен подобный теневой прибор (рис. 34).
Рис. 34. Осветительная система совершенного теневого прибора: 1--лампочка, 2-конденсор, 3 - нож , 4 - вторая щечка щели, 5 - прижимные пластинки
Здесь свет 6-вольтовой лампочки 1 с помощью конденсора 2 фокусируется на крае ножа 3 (лезвии бритвы), установленного под углом 45º к оси конденсора. Этот край служит одновременно одной из щечек щели. Вторая щечка 4 -- также лезвие бритвы Для регулировки ширины щели оба обломка лезвия прижимаются с помощью двух металлических пластин 5 и винтов. После регулирования винты фиксируют лезвия.
Важно, чтобы нож несколько выступал над второй щечкой, как это показано на рис. 34.
Если в центре кривизны центральной зоны параболического зеркала поместить "звезду" и с помощью ножа получить теневую картину, она уже не будет иметь плоский рельеф.
В тех случаях, когда зеркало имеет небольшое относительное отверстие и небольшой диаметр, достаточно испытать его в обоих критических положениях ножа и, установив нож точно в промежуточном положении, убедиться в том, что "вершина" "бублика" лежит на зоне 70% радиуса заготовки зеркала (см. рис. 29, а, в, д).
В предфокальном критическом положений ножа на зеркале должна быть видна полутень, занимающая его центральную часть, тогда как правая часть зеркала покрыта резкой тенью. Отодвигая нож от зеркала, мы видим, как полутень расширяется, занимая все большую часть зеркала; а ее середина начинает темнеть. Наступает момент, когда тень ножа в центре расположена слева -- для центральной зоны мы уже прошли точку фокуса, и нож находится в зафокальном положении для этой зоны (рис. 29, б). Внешняя зона покрыта тенью с правой стороны -- для внешней зоны мы еще не прошли точку фокуса. В некоторой промежуточной зоне видна полутень. Нож находится точно в фо-кусе именно этой зоны. Добьемся того, чтобы границы тени справа и слева проходили точно через центр зеркала и служили продолжением одна другой. Кроме того, добьемся, чтобы площадь теней справа и слева была примерно одинаковой. В этот момент нож находится точно посередине между критическими положениями. Если наше зеркало -- параболоид, то полутень будет расположена на зоне 70% (рис. 29, в).
Итак прежде всего измерим продольную аберрацию зеркала. Она должна быть равна
если источник света ("звезда") неподвижен, и
если "звезда" движется вместе с ножом.
Например, для неподвижной "звезды" 200-миллиметровый параболоид с фокусным расстоянием 1200 мм (радиус кривизны равен 2400 мм) имеет продольную аберрацию, равную 4,17 мм, а для подвижной "звезды" -- 2,09 мм.
Затем добьемся того, чтобы в положении, когда справа и слева площади теней приблизительно равны и граница теней проходит точно по диаметру зеркала, "вершина" "бублика" находилась на зоне 70%, а продольная аберрация равна половине вычисленной.
Если "вершина" "бублика" расположена ближе к центру зеркала, а продольная аберрация уже равна половине вычисленной, надо сполировать зону с радиусом примерно 0,5.
Если "вершина" "бублика" лежит ближе к краю зеркала, надо углубить центральную часть зеркала примерно до зоны 0,5 и несколько опустить зону с радиусом 0,8--0,9. Для уверенного замера радиуса зон согнем из мягкой проволоки толщиной 1--1,5 мм "маску", как показано на рис. 29, е.
Вместо ножа Васко Ронки предложил использовать решетку, представляющую собой серию тесно расположенных параллельных непрозрачных линий и промежутков между ними. Решетка Ронки обычно имеет заштрихованную часть 5X5 или 10 Х 10 мм. На каждый миллиметр приходится по 5 линий и промежутков.
Если решетку Ронки расположить в предфокальном положении на расстоянии 20--25-мм от критического положения, то, рассматривая зеркало сквозь решетку (так же, как это мм делали с ножом), мы увидим на зеркале серию вертикальных полос (если, конечно, и сама решетка установлена, вертикально). На идеальной сфере видим совершенно прямолинейные тени. Если же зеркало имеет ошибки, линии искривляются. Как "читать" теневую картину Ронки?
Приблизим решетку к фокусу. Очевидно, что сходящийся пучок света будет пересекать меньше полос решетки, и на зеркале мы также видим меньше полос, хотя они будут видны в большем масштабе. При удалении решетки от точки фокуса число теней на зеркале растет, но масштаб, в котором видна решетка, уменьшается. Сформулируем правило: чем ближе к фокусу зеркала или одной зоны находится решетка, тем крупнее на зеркале или на этой зоне видны тени решетки.
Теперь ясно, что если зоны зеркала имеют различные радиусы кривизны и фокусные расстояния, тени решетки на этих зонах будут видны в различном масштабе и сами линии искривятся.
Рис. 28, б показывает, как выглядят теневые картины Ронки. Заметим, что при переходе от предфокального положения решетки к зафокальному картина полос меняется. Это нетрудно понять, но для того, чтобы в дальнейшем не путаться, будем считать, что решетка всегда расположена в предфокальном положении. Интересна форма полос на параболоиде. Эти искривленные линии сами являются параболами (в первом приближении). Если бы мы могли на глаз точно оценивать кривизну этих линий, то проблема изготовления параболоида свелась бы к получению на теневой картине линий точно определенной кривизны. Однако глаз не в состоянии так точно оценить кривизну парабол. В то же время он легко оценивает с большой точностью прямолинейность прямых линий. Этим и воспользовался Эрик Мобсби. Он предложил [21] искривить линии решетки Ронки так, чтобы они были выгнуты в обратную сторону на величину, которую можно заранее вычислить. Тогда на теневой картине параболоида мы увидим прямые линии.
Не вдаваясь в подробности, опишем метод изготовления решетки Ронки--Мобсби, как это делает сам Мобсби, лишь незначительно видоизменив его.
Основная идея сводится к тому, что на листе ватмана в масштабе 100: 1 вычерчивается решетка, а потом переснимается фотоаппаратом на высококонтрастную мелкозернистую пленку с уменьшением в 100 раз.
На листе ватмана вычертим прямоугольник с горизонтальной стороной 50 мм и вертикальной 71,5 мм (рис. 35). Проведем две взаимно перпендикулярные оси симметрии. Из верхних углов прямоугольника надо провести к нижним две параболы, вершины которых отстоят от вертикальных сторон на величину р:
где у -- радиус крайней зоны, или полудиаметр зеркала, R -- радиус кривизны зеркала при вершине.
Предположим, что нам надо испытать зеркало диаметром 200 мм и радиусом кривизны 2800 мм (фокусное расстояние равно 1400 мм), тогда у3 = 106, R2 = 7,84 * 106 и р = 6,6 мм. На эту величину должны отстоять вершины парабол от вертикальных сторон прямоугольника. Для того чтобы вычертить эти параболы уверенно, надо найти еще несколько точек, соединяя которые мы и получим параболы с нужной точностью.
Мобсби предлагает такой путь вычислений с помощью таблицы (табл. 10) В первой строке записываем десятичные дроби от 0 до 1,0, во второй -- численные значения этих долей, выраженные в мм, для чего числа первой строки умножим на 35,75. В третьей строке --
Рис. 35. Решетки Ронки -- Мобсби. а) Вычерчивание парабол, б) вид испытательной сетки, содержащей нож Фуко, параболическую решетку Ронки--Мобсби и традиционную решетку Ронки, в) схема испытаний.
квадраты величин первой строки. Эти строки одинаковы для всех зеркал без исключения и потому их можно отпечатать в большом количестве на пишущей машинке.
В четвертой строке записываются произведения чисел третьей строки на р=6,6 мм. Пример расчета точек параболы для 200-миллиметрового зеркала дан в приводимой таблице. Значения чисел округлены с достаточной для практики точностью.
Теперь наносим нужные точки на чертеж (рис. 35, а). Прежде всего на вертикальные стороны прямоугольника нанесем величины из 2-й строки, откладывая эти числа верх и вниз от горизонтальной оси симметрии. Затем от этих точек внутрь прямоугольника откладываем соответствующие числа из 4-й строки. Делаем эту работу с такой тщательностью, на какую только способны. После нанесения всех точек соединяем их плав-
Т а б л и ц а 10
|
0,0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
|
0,0 |
3,6 |
7,2 |
10,8 |
14,4 |
18,0 |
21,6 |
25,2 |
28,8 |
32,4 |
36 |
|
0,0 |
0,01 |
0,04 |
0,09 |
0,16 |
0,25 |
0,36 |
0,49 |
0,64 |
0,81 |
1,00 |
|
0,0 |
0,07 |
0,26 |
0,59 |
1,06 |
1,65 |
2,38 |
3,23 |
4,22 |
5,35 |
6,6 |
ной кривой без переломов. Лучше всего воспользоваться лекалом.
Теперь, установив центр циркуля в центре прямоугольника, проведем окружность радиусом 35,75 мм. Конечно, на практике этот радиус можно взять, равным 36 мм. После того как фигура вычерчена, тщательно обведем ее тушью. Вертикальную ось симметрии проведем жирной линией толщиной в 1,5--2 мм. Такой же толщины будут и параболы. Окружность проведем линией в 1 мм или немного меньше. Прямоугольник и другие вспомогательные линии сотрем.
Теперь эту окружность надо переснять на пленку "Микрат" или другую мелкозернистую и контрастную пленку с уменьшением в 100 раз. Для того чтобы получить масштаб 1 : 100, надо расположить чертеж на расстоянии, равном 101 фокусному расстоянию от объектива фотоаппарата. Например, если фокусное расстояние объектива равно 50 мм, то расстояние до чертежа составит 5050 мм (5 м 50 мм) *).
*) это расстояние нужно откладывать от чертежа до так называемой главной плоскости объектива, но ее положение обычно неизвестно. Поэтому расстояние можно измерять от чертежа до плоскости фотопленки; тогда откладывается 102 фокусных расстояния объектива.
Объектив фотоаппарата должен быть задиафрагмирован до значения 8 или 11. Прежде чем диафрагмировать объектив, его надо тщательно сфокусировать на чертеж. Если не удалось достать пленку "Микрат", можно воспользоваться пленкой "ЗТ-8" или "Дубль-позитив", которые можно достать на кино- и телестудиях или кинокопировальных фабриках. Многие народные киностудии и кинокружки имеют такие пленки. Если же ни того, ни другого достать не удалось, можно использовать обращаемую пленку (обязательно черно-белую) небольшой чувствительности, например "ОЧ-22", которая обрабатывается с обращением. Остальные пленки обрабатываются также с обращением. Для этого первое проявление делается в позитивном (для фотобумаг) проявителе в течение 4 минут. Остальная обработка ведется в строгом соответствии с режимом обращения, рекомендуемым фабрикой пленок*).
*) Можно обойтись без обращения, зафиксировав пленку сразу после проявления, однако зернистость изображения в этом случае будет больше, кроме того, полученное негативное изображение надо отпечатать контактно на позитивную пленку, чтобы получить позитив решетки.
Итак, мы пересняли чертеж и проявили пленку. Устанавливаем решетку в предфокальном положении, перемещаем ее (рис. 35, в), пока не увидим на зеркале ее тень. Приближая или удаляя решетку и двигая ее в направлениях вверх -- вниз, вправо -- влево, устанавливаем решетку так, чтобы тень окружности решетки лежала точно на окружности зеркала. Тогда вертикальная ось симметрии будет проходить точно по вертикальному диаметру зеркала, а параболы будут расположены на некотором расстоянии от края зеркала. Наша задача -- добиться того, чтобы параболические линии на зеркале выглядели прямыми. Это будет означать, что наше зеркало -- параболоид.
Огромное преимущество метода Ронки -- Мобсби заключается в том, что не нужны измерения продольных аберраций, и теневой прибор может иметь довольно примитивную механическую часть. Так как параболоид при испытаниях методом Ронки -- Мобсби напоминает сферу, у которой нет продольных аберраций. Этот метод называется "нуль-тестом".
Но при испытаниях традиционным методом Ронки тени линий лишь в первом приближении являются параболами, поэтому метод Мобсби пригоден для относительно длиннофокусных зеркал с большим относительным фокусом. Так, 110-миллиметровое зеркало должно иметь относительный фокус 4 или больше, 150-милли-метровое--5 и более, 200-миллиметровое-- 6, 250-миллиметровое -- 7, 300-миллиметровое -- 8 и более.
Если оптически точная поверхность отступает от заданной формы не более чем на 1/8 длины волны света, то она может считаться совершенной. 1/8 длины волны света -- это 0,00056 мм : 8 = 0,00007 мм = 0,07 мкм *).
*) 0,56 мкм -- длина волны, к которой более всего чувствителен глаз.
Отступление параболоида от ближайшей сферы сравнения составляет
где D -- диаметр, а V -- относительный фокус зеркала. Например, зеркало диаметром 250 мм и с фокусным расстоянием 1500 мм имеет относительный фокус 6 и после параболизации отступает от ближайшей сферы сравнения на 0,00028 мм, или на 0,28 мкм. Допустимое отступление составляет 0,07 мкм, или 25% от величины параболизации. Значит, выполняя параболизацию, мы можем немного не допараболизовать или перепараболизовать зеркало, если продольная аберрация зеркала не будет отличаться более чем на 25% от вычисленной величины. Иначе говоря, в нашем примере с 250-миллиметровым зеркалом, продольная аберрация которого равна 5,2 мм **), зеркало может иметь аберрацию в пределах от 6,5 до 3,9 мм.
**) Продольная аберрация в этом примере вычислена из расчета, что источник света неподвижен.
Если при параболизации продольная аберрация не будет выходить за эти пределы, то зеркало будет работать безупречно.
В табл. 11 приведены пределы ошибок продольной аберрации при параболизации для зеркал с различным диаметром и фокусным расстоянием. Ошибки выражены в процентах, если принять, что в идеале продольная аберрация составляет100%.
В тех случаях, когда ошибка продольной аберрации в таблице составляет 100% и более, зеркало может иметь продольную аберрацию равной нулю (быть сферой) или быть гиперболоидом с аберрацией в два раза
Таблица 11
|
V |
D |
|||||
|
80 |
110 |
160 |
200 |
250 |
300 |
|
|
3 4 5 6 7 8 9 10 12 |
9,8 23 61,9 128,6 - - - - - |
7 16,7 32,4 56,0 88,8 132,1 - - - |
4,9 11,5 22,4 88,7 61,4 92,1 132,1 - - |
3,9 9,1 17,9 30,8 49,0 72,9 104,5 - - |
3,1 7,3 14,3 24,8 39,3 58,8 83,3 114,8 - |
2,6 6,1 12,0 20,7 32,9 49,0 70,0 96,0 166,7 |
больше вычисленной. Отсюда становится понятным, почему, говоря о допустимых ошибках 150-миллимет-рового сферического зеркала, мы назвали допустимой продольную аберрацию 2--2,5 мм. Еще раз напомним, что для сферы эта ошибка может быть допустимой только в сторону плавного параболоида -- "бублика". Ошибки такого рода в сторону подвернутого края для сферы недопустимы.
Обычно любители не ограничиваются испытаниями только одного вида. В нашем случае также было бы хорошо проверить зеркало как с помощью решетки Ронки -- Мобсби, так и измерением продольных аберраций с помощью ножа Фуко.
ЗЕРКАЛО ИЛИ ПРИЗМУ?
Диагональное зеркало телескопа Ньютона можно подобрать из старых оптических деталей. У нас должна быть уверенность в том, что зеркало изготовлено с достаточной точностью. Эта точность может быть несколько ниже точности главного зеркала, так как диагональное зеркало расположено значительно ближе к фокусу, а чем ближе к фокальной плоскости диагональное зеркало, тем с меньшей точностью оно может быть изготовлено. В пределе, когда зеркало лежит непосредственно в фокальной плоскости, его поверхность может быть как угодно неточной.
Для большинства случаев ньютоновского телескопа плоское зеркало располагается в 4--5 раз ближе к фокусу, чем главное зеркало. Поэтому точность изготовления его поверхности может быть раза в 2 меньше,
Рис. 36. Графическое определение размеров диагонального зеркала. Обратите внимание на то, что центр эллиптического зеркала не совпадает с оптической осью.
чем точность поверхности главного зеркала. Таким образом, поверхность этого зеркала не должна уклоняться от плоскости больше чем на 1/4 длины волны света. Но это все равно достаточно большая точность, и обычные бытовые зеркала для наших целей не годятся.
Идеальное зеркало должно быть эллиптическим. Какие размеры оно должно иметь?
Поле зрения телескопа обычно составляет 1--1,5º. При фокусном расстоянии 1200 мм линейный поперечник поля зрения будет равен 20--30 мм. Для того чтобы пучок света, идущий от звезды, лежащей на краю поля зрения, не срезался краем диагонального зеркала, надо иметь зеркало соответствующих размеров.
Для их определения вычертим на миллиметровке в натуральную величину оптическую схему телескопа, на которую нанесем главное зеркало, поперечник поля зрения l, выраженный в миллиметрах, и отметим положение точки перелома оптической оси (рис. 36). Через эту точку под углом 45º проведем прямую -- это сечение плоскости зеркала. После этого соединим края главного зеркала с краями поля зрения прямыми линиями. Пересечение этих крайних лучей с вспомогательным зеркалом даст крайние точки большой оси вспомогательного зеркала. Большую ось определим прямым замером с помощью линейки. Малая ось равна большой оси, деленной на 1,4. Величины осей можно получить и расчетом. При этом размер малой оси определяется по формуле
где D -- диаметр главного зеркала, f ' -- его фокусное расстояние, l -- линейный поперечник поля зрения, D -- расстояние точки пересечения оптической оси с диагональным зеркалом от фокальной поверхности.
Определив величину малой оси зеркала, умножим ее на 1,4 и получим величину большой оси зеркала.
Если мы используем призму, то размеры ее гипотенузы (длинная грань, срезанная под углом 45º) должны быть не меньше большой оси эллиптического зеркала.
Впрочем, если размеры зеркала несколько меньше, чем следует из наших рассуждений, большой беды не будет. Срезание крайних лучей приведет на краю к небольшой потере резкости, которая практически не будет заметна глазу, и незначительному падению яркости, которое также практически будет незаметно. Однако если зеркало чересчур мало, то это равносильно тому, что уменьшился диаметр главного зеркала.
Можно несколько увеличить размеры и призмы и зеркала, если эти размеры не будут превышать 1/4-- 1/3 диаметра главного зеркала. Так, например, можно вместо эллиптического зеркала взять прямоугольное или круглое. Диаметр круглого зеркала должен быть равен большой оси эллипса. Тогда часть этого круглого зеркала вообще не будет работать, но это не страшно, так как количество света, экранируемого нерабочими частями, невелико.
Для наших целей пригодны только зеркала с наружным алюминированием, тогда как в быту применяются зеркала с внутренним алюминированием. Чтобы разобраться, где алюминирование наружное, а где внутреннее, осторожно коснемся кончиком карандаша поверхности зеркала. Если в момент соприкосновения кончик карандаша в кончик его отражения соприкасаются, то это значит, что алюминирование наружное. Если между кончиками есть некоторое расстояние, то алюминирование внутреннее.
Для того чтобы не усложнять себе работу, будем делать круглое зеркало. В этом случае, будучи установленным под углом 45º к оптической оси главного зеркала, оно будет проецироваться на него в виде эллипса.
Шлифовка плоскости мало чем отличается от шлифовки сферы. Начинаем сразу с абразива М40--М28. Если шлифовка ведется на плоском пластмассовом шлифовальнике, надо время от времени зеркало и шлифовальник менять местами, чтобы предотвратить появление у зеркала кривизны. Для испытания его поверхности достаточно довольно грубых методов исследования. Рассматривая зеркало под острым углом, кладем на дальний его край шарик от шарикоподшипника (рис. 37, а). Если отражение шарика вытянуто вертикально, значит, зеркало вогнутое, и его надо некоторое время (5--15 мин) шлифовать в положении "зеркало внизу"; если отражение сплюснуто, то зеркало выпуклое и должно шлифоваться в положении "зеркало сверху". Так, чередуя положение зеркала и шлифовальника и постоянно следя за качеством матовой поверхности, переходим к абразивам М20, М14, М10.
Полировка ведется на плоском полировальнике. Смола формуется так же, как и прежде. В ходе полировки, возможно, поверхность зеркала начнет приобретать кривизну; это будет замечено во время окулярных испытаний. Общая кривизна поверхности исправляется так же, как и при шлифовке, изменением положения зеркала и полировальника. Зональные ошибки исправляются или подрезкой, или формовкой полировальника, или местной ретушью, как и при полировке главного зеркала.
Испытания ведем по схеме, предложенной английским любителем А. Коммоном (рис. 37, б). Для этого нам потребуется вогнутое зеркало высокого качества, например главное сферическое зеркало для телескопа, которое мы изготовили. Если же мы его параболизовали, можно использовать его центральную часть, которая с достаточной степенью точности является сферической.
Рис. 37. Изготовление плоского зеркала.
а) Контроль матовой поверхности на кривизну, б) схема окулярных испытаний, в) вид светящейся точки в предфокальном (1), фокальном (2), зафокальном (3) положениях окуляра; з--зеркало, ф.п.-- форма полировальника для исправления дефекта.
Свет от "искусственной звезды" (она на рисунке не показана) падает на диагональное зеркало и отражается на сферическое. После отражения от сферического зеркала свет последовательно попадает вновь на диагональное зеркало и затем в окуляр. На рис. 37, в показаны изображения светящейся точки при рассматривании ее в окуляр. Условимся для определенности, что мы всегда будем начинать эту окулярную пробу с рассматривания предфокального изображения "звезды" и, постепенно удаляясь, переходить к зафокальному. Тогда, если предфокальное изображение "звезды" выглядит вертикальным штрихом, а зафокальное -- горизонтальным, мы имеем дело с вогнутой поверхностью вместо плоскости. Зеркало необходимо положить вниз и полировать в положении "зеркало внизу". Если предфокальное изображение "звезды" -- горизонтальный штрих, а зафокальное -- вертикальный, зеркало имеет выпуклость, и его надо полировать в положении "зеркало вверху". В случае, когда испытывается круглое совершенно плоское зеркало, установленное под углом 45º к оси вогнутого зеркала, зафокальные и предфокальные изображения светящейся точки выглядят эллипсами, а фокальное изображение -- точкой.
Если кривизна зеркала достаточно велика и не устраняется этим способом, надо подрезать полировальник, как показано на рис. 37, в (ф. п.). После окончания полировки и фигуризации зеркало готово к алюминированию.
Проще всего алюминировать зеркала в мастерских бытовых зеркал, которые есть практически на каждом мебельном комбинате.
Прежде всего зеркало надо отмыть от следов смолы. Крупные частицы смолы скалываются деревянной заостренной палочкой. Когда с этими кусочками смолы будет покончено, протираем зеркало ваткой, смоченной керосином или бензином. Керосин растворяет смолу, и она впитывается ватой. Правда, значительная часть смолы размазывается по зеркалу. Поэтому после грубого мытья зеркало необходимо промыть еще раза два керосином.
Перед алюминированием зеркало надо промыть под краном с хозяйственным мылом. Лучше всего обильно намылить руки и мыть ими поверхность зеркала. После этого зеркало нужно поставить под струю воды и смыть руками мыльную пену. При этом нужно быть крайне осторожным, чтобы не выронить зеркало из намыленных рук. Лучше всю работу проводить прямо у самого дна водопроводной раковины.
После мытья надо поставить зеркало на ребро, и дать воде стечь. Оставшиеся на поверхности капли воды следует убрать уголком промокательной бумаги. Перед алюминированием достаточно зеркало промыть медицинским спиртом и, не дав спирту высохнуть, облить зеркало дистиллированной водой.
Ни в коем случае нельзя давать полировать зеркало крокусом перед самым алюминированием, как это делается в зеркальных мастерских с бытовыми зеркалами. Грубое полирование, не опасное для бытового зеркала, может стоить слишком дорого в случае с оптически точным зеркалом.
При любой возможности надо покрыть зеркало алюминиевым слоем с защитным покрытием, как это делается в оптических мастерских, так как прочность покрытия становится в десятки раз выше.
В литературе можно найти описание способов серебрения зеркал. К сожалению, серебрение дает слишком неустойчивый слой, который надо возобновлять 2--3 раза в год. Кроме того, в связи с острым дефицитом серебра во всем мире, достать нужное для этого азотнокислое серебро практически невозможно. Профессионалы также не применяют серебрение астрономических зеркал.
Направим бинокль, подзорную трубу или самодельный телескоп из очковых стекол на дневное небо, расположившись с телескопом в комнате. Если к окуляру поднести листок белой бумаги, то можно заметить на нем светлый кружок. Приближая или удаляя лист бумаги от окуляра, добьемся максимальной резкости кружка. Теперь установим перед объективом какой-нибудь предмет, например карандаш; на фоне светлого кружка появится тень карандаша. Если на объектив надеть квадратную диафрагму, кружок превратится в светлый квадратик, если диафрагма треугольная -- в светлый треугольничек. Нетрудно догадаться, что светлое пятнышко позади окуляра -- изображение объектива, построенное окуляром.
Объектив или зеркало телескопа принято называть входным зрачком, а его изображение, построенное окуляром,-- выходным зрачком. Посмотрим, как изменится вид выходного зрачка, если слабый окуляр заменить сильным. Меняя слабый (длиннофокусный) окуляр на сильный (короткофокусный), мы изменим масштаб изображения, которое строится окуляром. Короткофокусный окуляр построит изображение мельче. Значит, диаметр выходного зрачка уменьшится. Это уменьшение будет пропорционально уменьшению фокусного расстояния окуляра. Вместе с тем по мере уменьшения фокусного расстояния окуляра возрастет увеличение трубы. И наоборот, если сильный окуляр сменить на длиннофокусный, выходной зрачок возрастет в диаметре, а увеличение телескопа уменьшится. Таким образом, мы пришли к очень важному выводу: чем больше увеличение телескопа, тем меньше диаметр выходного зрачка, и наоборот, чем меньше увеличение телескопа, тем больше выходной зрачок.
Можно записать формулу увеличения телескопа:
где D-- световой (или действующий) диаметр объектива или зеркала, dзр -- диаметр выходного зрачка, f' и ф -- фокусные расстояния объектива и окуляра соответственно.
Астрономы говорят о больших или малых выходных зрачках телескопа, что соответствует малым или большим увеличениям. Каковы пределы размеров выходных зрачков и, следовательно, каковы пределы увеличений телескопа? Начнем с того, что глаз наблюдателя должен быть совмещен с выходным зрачком телескопа -- только в этом случае наблюдатель видит полностью поле зрения телескопа. В этом нетрудно убедиться. Достаточно поднести к глазам, скажем, бинокль и заметить границы поля зрения. Теперь начнем понемногу отдалять от глаз бинокль. Мы сразу же заметим, как резко уменьшается поле зрения. То же произойдет, если глаз расположить ближе к окуляру, чем выходной зрачок. Правда, в большинстве практических конструкций выходной зрачок лежит близко к глазной линзе окуляра, и поэтому придвинуть глаз к окуляру ближе, чем выходной зрачок, не всегда возможно.
Теперь представим, что мы установили очень длиннофокусный окуляр, и выходной зрачок стал достаточно большим. Например, фокусное расстояние объектива равно 500 мм, диаметр 50 мм, фокусное расстояние окуляра 100 мм; значит, увеличение телескопа составит 5 раз, а диаметр выходного зрачка-- 10 мм. Известно, что диаметр зрачка человека даже в полной темноте не превышает 6--8 мм. Примем максимальный диаметр зрачка равным 6 мм. Расположив его в районе выходного зрачка телескопа, мы совершенно явно "срежем" часть светового потока, так как его диаметр составляет 10 мм. Это равносильно тому, что перед Объективом установили диафрагму, которая ограничила его действующее отверстие. Разумеется, астроном менее всего заинтересован в уменьшении диаметра объектива, а потому и использование выходных зрачков более диаметра зрачка глаза бессмысленно. Заметим, что выходные зрачки телескопа, равные зрачку глаза наблюдателя в темноте, соответствуют минимальному увеличению телескопа, которое принято называть рав-нозрачковым увеличением. Не вдаваясь в подробности, отметим, что равнозрачковые увеличения применяются при наблюдениях протяженных объектов с малой поверхностной яркостью: туманностей, комет, галактик, шаровых скоплений и пр. Для некоего среднего наблюдателя диаметр выходного зрачка выбирается равным б мм, поэтому минимальное (равнозрачковое) увеличение телескопа равняется диаметру объектива (зеркала), деленному на 6 мм, о чем мы уже упоминали. Максимальное увеличение, или минимальный зрачок выхода, определяется волновой природой света. Здесь мы опять вынуждены обойти молчанием довольно интересную, но увы, довольно сложную для начинающего любителя тему. Ограничимся следующим: при зрачках выхода, равных 0,7--0,5 мм, светящаяся точка, каковой представляется нам звезда, принимает форму яркого ядрышка, окруженного крошечными радужными колечками. Это ядрышко и колечки не имеют никакого отношения к действительной природе звезды и обусловлены дифракцией (отклонением) лучей света вблизи оправы объектива. Дальнейшее увеличение не имеет смысла (см. рис. 7). Таким образом, максимальное увеличение телескопа равно диаметру объектива, деленному на 0,5--0,7 или, что все равно, умноженному на 1,4--2 *).
*) Строго говоря, дифракционная картина становится уже . заметкой нормальному глазу при выходном зрачке 0,7 мм. Однако нередко применяют большие увеличения. Это объясняется тем, что очень часто глаз наблюдателя отягощен дефектами, например астигматизмом, что и заставляет применять увеличения при выходном зрачке 0,5 мм и даже иногда 0,3 мм.
Итак, с телескопом можно применять любые увеличения, если выходные зрачки не выходят из пределов 6--0,7 мм С б0-миллиметровым объективом минимальное, равнозрачковое увеличение будет 10-кратным. Наблюдая слабую туманность, мы не сможем применить большое увеличение, так как по мере роста увеличения видимая яркость туманности упадет, и глаз перестанет ее различать. Что же делать, если мы хотим получить большее увеличение? Единственное средство -- увеличить диаметр объектива. 180-миллиметровый объектив позволит нам рассматривать эту туманность уже с увеличением в 30 раз, и она будет иметь ту же поверхностную яркость.
С другой стороны, если какая-то подробность на поверхности Юпитера видна, например, при увеличении только в 200 раз, то 60-миллиметровый телескоп окажется бесполезным, так как его максимальное увеличение равно 120. В этом случае нужен телескоп диаметром 100--150 мм.
Прежде всего нужно стремиться достать окуляры от подзорных труб, биноклей, теодолитов, нивелиров и т. п. Несколько хуже работают с зеркальным телескопом окуляры от микроскопов. Впрочем, попадаются и здесь окуляры таких конструкций, которые хороши и в комбинации с зеркалом. Если не удастся найти готовые окуляры, можно воспользоваться короткофокусным фотообъективом или объективами от 16- и 8-миллиметровой кинокамер. Для того чтобы читатель имел возможность ориентироваться в окулярах заводского изготовления, приведем краткую характеристику профессиональных окуляров.
Окуляр Гюйгенса (рис. 38, а). Этот окуляр состоит из двух плосковыпуклых линз, обращенных к глазу плоскими сторонами. Если фокусные расстояния линз обозначить f1 (передней) и f2 (задней), а расстояние между ними D, то фокусное расстояние окуляра равно
Отношение фокусного расстояния передней линзы, расстояния между линзами и фокусного расстояния второй линзы обычно равно f1: D : f2 = 4 : 3 : 2 или f1: D : f2 =3:2:1.
Рис. 38. Типы окуляров и действие линзы Барлоу.
а) Окуляр Гюйгенса, б) окуляр Рамсдена, в) окуляр Кельнера, г) окуляр Эрфле, д) симметричный окуляр, е) действие линзы Барлоу, ж) ее установка.
Окуляром Гюйгенса снабжаются микроскопы. Отличительная особенность окуляра Гюйгенса заключается в том, что диафрагма поля зрения Д расположена между линзами. Эта диафрагма расположена точно в фокальной плоскости второй линзы, ее назначение состоит в том, чтобы резко очертить границы поля зрения. Чтобы убедиться в этом, достаточно заглянуть в окуляр. Мы увидим резко ограниченный круг, слегка окрашенный в голубоватый цвет. Эта цветная кайма -- результат действия хроматической аберрации, которая в окуляре исправлена недостаточно.
Окуляр Рамсдена (рис. 38, б). Этот окуляр также состоит из двух плосковыпуклых линз. Но здесь они расположены выпуклыми сторонами друг к другу. Фокусные расстояния линз окуляра Рамсдена обычно одинаковы, а расстояние между линзами равно 0,7f. В этом случае формула фокусного расстояния окуляра упрощается:
ф= 0,77f.
Окуляр Рамсдена, так же как и окуляр Гюйгенса, принадлежит к числу недорогих окуляров, у которых аберрация исправлена не полностью. Впрочем в большинстве случаев эти окуляры достаточно хороши, и они широко применяются как любителями, так и профессионалами. Положительным свойством окуляра Рамсдена является то, что его полевая диафрагма вынесена за пределы системы и находится перед линзой, в фокальной плоскости окуляра. В этом месте легко можно расположить крест нитей, простейший микрометр и т. п.
Окуляр Кельнера (рис. 38, в). Этот окуляр представляет собой усовершенствованный окуляр Рамсдена. Вместо одиночной глазной линзы здесь стоит ахроматизированная линза, склеенная из положительной линзы из стекла марки "крон" и отрицательной из стекла марки "флинт". В результате хроматическая аберрация у окуляра Кельнера меньше, чем у окуляра Рамсдена. Окуляр Кельнера применяется очень широко: в биноклях, подзорных трубах, некоторых типах микроскопов и т. д. Это, пожалуй, самый распространенный окуляр.
Окуляр Эрфле (рис. 38, г). Если вместо одной глазной линзы окуляра Кельнера поставить, две одинаковые ахроматические линзы, то получится один из широкоугольных окуляров Эрфле. Их поле зрения составляет 55--60º; (у окуляров Гюйгенса, Рамсдена и Кельнера поле зрения 40--45º.
Симметричный окуляр (рис. 38, д). Этот окуляр -- наиболее совершенный из числа относительно недорогих. Он состоит из двух одинаковых ахроматических линз, обращенных друг к другу кроновыми (положительными) линзами. Поле зрения окуляра 50º. В некоторых случаях мы можем оказаться в затруднительном положении. Для нашего 150-миллиметрового зеркала с фокусным расстоянием 1200 мм максимальное увеличение составит 300. Для того чтобы получить это увеличение, надо взять окуляр с фокусным расстоянием 1200:300=4 мм. Это довольно редкий окуляр. Едва ли нам удастся его достать. Поэтому мы прибегнем к хитрости.
Если перед самым фокусом зеркала установить небольшую отрицательную линзу, она уменьшит сходимость пучка, и лучи пересекутся дальше от зеркала. В этом случае говорят не о главном фокусном расстоянии зеркала, а об эквивалентном фокусном расстоянии системы зеркало -- рассеивающая линза. Если эквивалентное фокусное расстояние в три раза больше главного, то нам потребуется окуляр с фокусным расстоянием не 4, а 12 мм. Его гораздо легче достать. Рассеивающая линза, о которой идет речь, называется линзой Барлоу и очень широко применяется в практике любителей, а отчасти и профессионалов. На рис. 38, е показано действие линзы Барлоу с линзовым объективом, а на рис. 38, ж --ее установка в трубке.
На рис. 39 показаны конструкции оправ окуляров. Первый из них -- окуляр Рамсдена (рис. 39, а) -- собран в картонной трубке 1, которая может быть подобрана или склеена из бумаги. Поперек этой трубки на клею намотано 2--3 слоя бумаги 2 для того, чтобы окуляр, поставленный в фокусировочную трубку, не проваливался в нее. Линзы разделены и удерживаются трубками-вкладышами 3. Для того чтобы определить положение полевой диафрагмы 4, надо, глядя в окуляр, осторожно ввести с противоположной стороны кончик карандаша. Положение, в котором кончик карандаша виден отчетливо, укажет положение фокальной плоскости, а значит, и диафрагмы. Диафрагма удерживается пружинящим кольцом 5.
Корпус окуляра Кельнера (рис. 39, б) вытачивается из алюминия. Внутри корпус рассверливается ступенями с помощью подходящих сверл. Глазная линза удерживается колечком 1, застопоренным винтами 2. Полевая диафрагма удерживается кольцом 3.
Третий окуляр -- симметричный; он снабжен крестом-сеткой 1, которая может подсвечиваться лампочкой 2 (рис. 39, в), так как на черном фоне неба крест
Рис. 39. Конструкции оправ окуляров.
а) Окуляр Рамсдена. 1-- картонная трубка, 2 -- слои бумаги, 3 -- трубки-вкладыши, 4 -- полевая диафрагма, 5 -- пружинящее кольцо. б) Окуляр Кельнера. 1-- колечко, 2--винт, 3 --кольцо. в) Симметричный окуляр. 1 -- сетка, 2 -- лампочка. 3 -- светофильтр, 4 -- диафрагма, 5 -- трубка.
не виден. Светофильтр оранжевого цвета 3 позволяет четко выделить сетку на фоне неба. Для того чтобы свет лампы не засвечивал оправу изнутри и не мешал наблюдениям, устанавливается диафрагма 4, позволяющая освещать только середину сетки. Трубка 5, в которой установлена лампочка, вворачивается в оправу на резьбе, которая на трубке нарезается леркой, а в отверстии оправы окуляра--метчиком М8--М10.
В качестве патрона хорошо взять патрон от елочной гирлянды. Для питания лампочки можно использовать батарейку, но лучше -- трансформатор. В цепь лампы надо включить реостат для того, чтобы можно было регулировать освещенность вплоть до самой слабой, когда ведущая звезда слишком слаба, а крест светится слишком ярко и слепит глаз.
Как мы уже говорили, у большинства сильных окуляров выходные зрачки расположены очень близко к глазной линзе, и при наблюдении в такой окуляр приходится приближать глаз так близко к окуляру, что ресницы и даже роговица глаза прикасаются к поверхности стекла, что вызывает болезненные ощущения. Отодвигание же глаза приводит к потере значительной части поля зрения. Большую помощь здесь может оказать линза Барлоу, так как с ней будет работать более слабый окуляр.
Как определить положение линзы Барлоу? Прежде всего нужно отметить, что отрицательные линзы не имеют действительного фокуса, как линзы положительные, и поэтому для них введено понятие мнимого фокуса. Если рассеянные отрицательной линзой лучи продолжить назад, то они пересекутся в некоторой точке Эта точка и называется мнимым фокусом, так как здесь нет никакого изображения. Расстояние этой точки от линзы называется фокусным расстоянием линзы, и перед ним всегда ставят знак минус. Это фокусное расстояние (обязательно со знаком минус!) можно подставлять в любые формулы и в дальнейшем оперировать с ним так же, как и с фокусными расстояниями положительных линз.
Зададимся увеличением линзы Барлоу. Обычно оно выбирается в пределах 2--3х. Допустим, что мы остановились на увеличении 3x. Это значит, что вместе с линзой Барлоу наше зеркало будет иметь эквивалентное фокусное расстояние в три раза больше. Для зеркала с фокусным расстоянием 1200 мм эквивалентное фокусное расстояние будет равно 3600 мм.
Теперь для получения максимального увеличения (300х ) нам потребуется окуляр с фокусным расстоянием не 4 мм, а 3600 мм : 300 = 12 мм.
Зададимся фокусным расстоянием линзы Барлоу, например 30 мм, и запишем формулу сложения фокус
ных расстояний линз для нашего случая
где f1 --фокусное расстояние главного зеркала телескопа, f2 -- фокусное расстояние линзы Барлоу, D -- расстояние между зеркалом и линзой Барлоу. Решая это уравнение относительно D, получим
Величина 1180 мм означает, что расстояние линзы от фокальной плоскости зеркала равно 20 мм в сторону зеркала. Теперь мы видим, что длину окулярной трубки надо увеличить в G -- 1 раз, где G -- увеличение линзы Барлоу. Так, если увеличение линзы Барлоу равно трем, то расстояние между старым и новым положениями фокальной поверхности будет в два раза больше, чем расстояние от линзы Барлоу до старого положения фокальной поверхности. В нашем примере расстояние от линзы до фокуса равно 20 мм, значит, длину окулярной трубки надо увеличить на 40 мм.
Приблизим линзу к зеркалу на 2,5 мм так, чтобы новое расстояние между линзами и зеркалом стало 1177,5 мм, или, что все равно, линза отодвинется от фокальной плоскости на 2,5 мм. Подсчет покажет, что в этом случае эквивалентное фокусное расстояние fсист увеличилось до 4800 мм или в 4 раза. Теперь для получения максимального увеличения с нашим 150-миллиметровым зеркалом нужен окуляр с фокусным расстоянием 16 мм. Можно поступить так: рассчитать 3-- 4 различных положения линзы Барлоу для того, чтобы, имея один окуляр, получить несколько различных увеличений.
В качестве примера с нашим зеркалом, 16-милли-метровым окуляром и линзой выберем четыре увеличения--300, 240, 190, и 150. Для 150-миллиметрового зеркала этим увеличениям будут соответствовать выходные зрачки диаметром 0,5; 0,625; 0,75; 1,0 мм. Эта последовательность самых сильных увеличений телескопа требует очень короткофокусных окуляров. С линзой же Барлоу и одним окуляром с фокусным расстоянием 16 мм можно получить четыре увеличения плюс еще одно, когда окуляр применяется без линзы Барлоу -- в 75 раз.
Если же использовать еще и окуляр с фокусным расстоянием, например, 50 мм, то можно получить такой ряд увеличений без линзы и с линзой, перемещаемой на те же отрезки вдоль оптической оси: 24 раза (зрачок выхода 6,25 мм), 48 раз (зрачок 3,12 мм), 57,5 раза (зрачок 2,6 мм), 72 раза (зрачок 2,1 мм), 96 раз (зрачок 1,56 мм). Таким образом, достаточно иметь всего два окуляра и одну линзу Барлоу, чтобы получить практически весь набор увеличений, интересующий любителя астрономии.
Линза Барлоу устанавливается в трубке, длина которой соответствует минимальному увеличению. К этой трубке имеются несколько трубок-вкладышей, которые вставляются вместо окуляра, когда необходимо получить большее увеличение, а окуляр вставляется уже во вкладыш. Познакомившись с методикой расчета линзы Барлоу, читатель сможет без особого труда вычислить все необходимые параметры линзы Барлоу и ее трубки-оправы *).
*) Нужно, однако, помнить, что одиночная линза Барлоу страдает хроматической аберрацией. Для резкого уменьшения хроматизма линза Барлоу должна быть склеена из двух линз -положительной из стекла Ф2 и отрицательной из стекла К8. Отрицательная линза (К8) двояковогнутая, оба радиуса кривизны равны окончательному фокусному расстоянию двух линя, деленному на 2. Так, если фокусное расстояние нужной нам линзы Барлоу равно 40 мм, то обе поверхности отрицательной линзы имеют радиус кривизны 20 мм. Положительная линза (Ф2) -- плосковыпуклая. Радиус кривизны выпуклой поверхности равен радиусу отрицательной линзы. В нашем случае он равен 20 мм. После изготовления линзы нужно сложить вместе и вставить в оправу, но лучше их склеить канадским бальзамом или бальзамином.
В том случае, когда у читателя нет возможности подобрать готовый окуляр, можно изготовить линзы для него самостоятельно. Они изготавливаются из витринного стекла толщиной 7--10 мм. По своим оптическим свойствам оно близко к стеклу К8.
Познакомимся с конструктивными элементами окуляра Рамсдена. Две его линзы имеют совершенно одинаковые радиусы кривизны и в нашем случае одинаковые диаметры. (Строго говоря, глазная линза окуляра должна быть несколько меньше полевой, но это необязательное условие, и поэтому ради простоты изготовления мы сделаем обе линзы одного диаметра.) Предположим, нам надо отшлифовать линзы для окуляра, имеющего фокусное расстояние 30 мм. Это слабый окуляр. С линзой Барлоу он может дать средние увеличения. Лучше начинать со слабых окуляров, так как сильные окуляры потребуют довольно мелких линз, а к их изготовлению надо переходить, имея уже некоторый опыт.
Фокусное расстояние каждой из линз равно f == 2R, где R -- радиус выпуклой поверхности. Фокусное расстояние плосковогнутой линзы Барлоу численно также равно 2R.
Начнем с того, что определим фокусное расстояние каждой из линз. Для этого эквивалентное фокусное расстояние нашего окуляра, равное 30 мм, разделим на 0,77 (см. Ї 35), получим 38,9 мм, т. е. радиус кривизны равен 19,5 мм. Эту величину можно выдержать с точностью до 1 мм, поэтому фокусное расстояние может получиться в пределах 29--31 мм. Это совершенно не страшно.
В профессиональном производстве для шлифовки выпуклых поверхностей применяются вогнутые шлифовальники. Любитель, имеющий доступ к токарному станку, может без особого труда изготовить металлические шлифовальнички, но мы опишем более простой способ в условиях любителя -- шлифовку на стеклянном шлифовальнике.
Во всех случаях у окуляра Рамсдена диаметры линз составляют примерно 0,8 фокусного расстояния окуляра . Однако по причинам, которые будут объяснены несколько позже, заготовку для линзы нужно брать процентов на 20 больше, чем окончательный диаметр линзы. Это означает, что диаметр заготовки для линзы окуляра Рамсдена должен быть равен его фокусному расстоянию, в нашем случае 30 мм.
Для определения толщины заготовки начертим поперечное сечение линзы на миллиметровке в масштабе 2:1, т. е. в два раза больше натуральных размеров, и измерим максимальную толщину линзы, прибавив 1 мм (толщина линзы на краю). Она равна 8 мм. Это толщина обычного витринного стекла.
Заготовки для линз высверливаем с помощью трубчатого сверла вручную или на сверлильном станке с минимальной скоростью шпинделя. На рис. 40, а показаны детали приспособлений для этих целей. Сверление производится в точности так же, как и вырезание
Рис. 40. Изготовление мелких линз.
а) Высверливание заготовки. 1 -- сверло, 2--патрон сверлильного станка, 3--кусок стекла, 4--пластилиновый бортик. б) Шлифовка линзы на токарном станке. 1 -- заготовка, 2 -- стеклянный шлифовальник, 3--оправка из катушки для ниток. в) Оправка для шлифовальника. 1 -- стекло, 2 -- смола, 3 -- оправка.
заготовки для основного зеркала. Надо помнить, что большие скорости вращения шпинделя сверлильного станка могут стать причиной серьезных неприятностей, если сверло и его хвостовик окажутся не вполне соосными. В этом случае центробежные силы так велики, что сверло может отломиться от хвостовика и с большой скоростью отлететь в сторону. Поэтому масса сверла должна быть минимальной. Для этого минимальной должна быть высота его стенок, на 2--3 мм больше
толщины стекла, на которого вырезается заготовка. Толщина цилиндрических стенок должна быть 0,5-- 1 мм, а основания ("дна") цилиндра--3-- 4 мм. Диаметр хвостовика должен быть максимально возможным для патрона, в котором он будет зажиматься, Так же, как и в случае вырезания заготовки основного зеркала, на рабочем краю сверла ножовкой должны быть сделаны 3--4 пропила для того, чтобы абразив легче проваливался в прошлифованную канавку.
При вырезании применяется грубый абразив (No 10--20) с обилием воды, которая помогает абразиву проваливаться в канавку, а отработанному шламу подниматься наверх. Чтобы вода не растекалась, а абразив не разбрасывался в стороны, вокруг рабочего места на стекле делается пластилиновый бортик достаточной высоты -- 2--3 см. Чтобы с противоположной стороны стекла не было больших сколов, к куску витринного стекла смолой подклеивается тонкий лист стекла.
Для контроля кривизны поверхности необходимо изготовить шаблон. В случае достаточно больших линз, как, например, наша, можно аккуратно вычертить остро заточенным гвоздем, вставленным в циркуль, дугу необходимого радиуса на куске жести. После этого аккуратно вырезается рабочая часть шаблона и подравнивается полукруглым надфилем. Можно выточить на токарном станке плоское кольцо с внутренним радиусом, равным радиусу линзы и разрезать на 3--4 шаблона.
Выточим или подберем оправку для крепления на ней заготовки линзы. Оправка имеет форму цилиндра, который вставляется в патрон токарного станка (рис. 40, б) или крепится переходной муфтой на верхней части шпинделя сверлильного станка. К торцу приклеивается заготовка. Чтобы заготовка имела достаточно жесткое основание, в оправке нужно проточить углубление, в которое будет заливаться смола, тогда как заготовка ляжет на бортик этого углубления. Для того чтобы во время приклеивания избыток смолы мог вытечь, в бортике надфилем надо пропилить 3--4 радиальные канавки.
Нагреем оправку на электроплитке и, положив в углубление на торце кусочек смолы, подождем, пока он расплавится. Теперь снимем оправку, установим ее на ровную поверхность стола и положим на смолу заготовку. Избыток смолы вытечет через канавки и заготовка плотно ляжет на бортик углубления.
Теперь нужно сделать оправку (рис. 40, в) для шлифовальника. Она выглядит точно так же, но, кроме того, должна легко вращаться вокруг своей оси, когда ее держишь в руках. С этой целью цилиндр оправки надевается на другую трубку подходящего диаметра, трущиеся части при этом должны быть смазаны маслом. Еще лучше если цилиндр оправки будет вращаться в шарикоподшипниках. У каждого любителя может найтись готовое приспособление подобного рода. Так же, как и заготовка линзы, стеклянный шлифовальник представляет собой круглый кусок стекла этого же, что и заготовка для линзы, диаметра и толщиной на 1--2 мм больше*).
*) Об изготовлении металлических шлифовальников см. Приложение 1
Шлифовальник наклеивается на торец оправки. Устанавливаем оправку с заготовкой линзы в патрон токарного станка. Включаем станок со скоростью около 300 об/мин (5 об/с), наносим на заготовку абразив No 20 или No 10, подводим середину шлифовальника к краю заготовки линзы под некоторым углом и начинаем шлифовку, делая небольшие качательные движения шлифовальником по радиусу заготовки. Довольно быстро край заготовки линзы начнет сошлифовываться, а в центре шлифовальника образуется углубление. Очень быстро углубление распространится почти до самого края. Когда вся поверхность линзы примет выпуклую форму и кусочек несошлифованного в центре стекла исчезнет, проверим кривизну линзы шаблоном, приложив шаблон вогнутой стороной к выпуклой поверхности линзы. Если кривизна линзы равна или немного меньше, переходим к микропорошку М40. Если кривизна превышает кривизну шаблоны, линзу и шлифовальник надо поменять местами, и шлифовку вести с давлением на края шлифовальника.
После окончания шлифовки порошком М40 переходим к порошку М20 и на нем заканчиваем шлифовку линзы. Теперь наливаем немного смолы на шлифовальник и, смочив линзу водой, формуем на ней полировальник. При таких больших скоростях патрона токар-
ного станка или шпинделя сверлильного станка полировка идет очень быстро, но вместе с тем смола быстро разогревается и становится слишком мягкой.
Для этих целей приготовим смолу потверже (добавив в нее канифоли до 70--80% по объему) и каждые 2--3 минуты формуем полировальник, давая остыть и линзе.
Вторую поверхность линзы шлифуем, приклеив ее к оправке выпуклой стороной. Шли-фовальником может
Рис. 41. Кругление линзы.
служить металлический пруток диаметром 30 мм с плоским торцом и вращающийся в оправке так же, как и стеклянный шлифовальник. Шлифовку можно начинать с порошка М20. Добившись того, чтобы на плоской стороне линзы не осталось несошлифованных участков, сразу переходим к полировке. Разумеется, шлифовка и полировка плоской стороны ведутся через центр с нормальным выносом. Некоторая выпуклость, образовавшаяся при этом, нам не страшна.
Не вдаваясь в подробности, отметим, что точность изготовления линз для окуляра значительно ниже, чем точность зеркала, поэтому всю работу можно вести без строгого контроля кривизны поверхности. Однако для линз окуляра чрезвычайно важно, чтобы на них не было следов матовости и царапин. Это относится ко всей поверхности обеих сторон полевой (первой) линзы и особенно к центральной части глазной (второй) линзы.
Стеклянный шлифовальник, имеющий плосковогнутую форму, мы используем в качестве линзы Барлоу, конечно, отполировав его поверхности.
Теперь надо выполнить кругление и центровку линз. Дело в том, что во время шлифовки линза могла принять форму, когда ее оптическая ось не совпадает с осью цилиндра заготовки. На рис. 41 внизу видно, что надо сошлифовать заштрихованную часть нашей линзы, и тогда геометрическая и оптическая оси совпадут. Нагреем оправку линзы, установим ее в патрон токарного станка и будем его вращать от руки, наблюдая за бликами на поверхности линзы от лампочки. Если эти блики совершенно неподвижны, ось патрона
Рис. 42. Вертикальный шпиндель для шлифовки мелких линз. 1 -- линза на оправке, 2 -- шпиндель, 3 -- шкив, 4 -- мотор, 5 -- тазик
станка и оптическая ось линзы совпадают, что нам сейчас и надо, но если блики совершают вращательные движения вместе с вращением патрона, то надо несколько переместить линзу на оправке, пока не затвердела смола. Опыт быстро подскажет, в каком направлении надо двигать линзу, чтобы блики остановились. Добившись этого, дадим смоле затвердеть и приступим к круглению. Если сейчас включить станок (с прежней скоростью), один из краев линзы будет "бить". Если к краю подвести кусочек 2-миллиметровой латуни или стали, как показано на рис. 41 вверху, линза будет одним краем стучать по нему. Подмажем абразивом No 10--20 кусок латуни и, осторожно подведя латунную пластинку на суппорте, начнем сошлифовывать край линзы. Время от времени будем измерять штангенциркулем диаметр линзы. Как только он станет равным 27 мм, прекратим кругление и изготовим фаски. Для этого нужны такой же кусочек латуни и абразив. Латунь должна быть установлена в суппорте
под углом 45º к краю линзы. Полумиллиметровые фаски предохранят линзу от сколов.
Вообще говоря, даже небольшой кружок телескопостроения или любитель, имеющий навыки в работе с металлом, могут построить простой станок для шлифовки линз -- так называемый вертикальный шпиндель (рис. 42). Желательно предусмотреть возможность переводить вертикальный шпиндель в горизонтальное положение, когда необходимо сделать кругление. В простейшем случае весь станок, выполненный в виде ящика, может устанавливаться набок.
Сопромат -- сопротивление материалов --наука о нагрузках, действующих на конструкции, и о сопротивлении конструкций этим нагрузкам. Наука эта довольно сложная и требует знания высшей математики. Однако мы постараемся остаться верными своему принципу объяснять все "на пальцах". Рассмотрим работу конструкций с качественной стороны.
Зачем мы ввели параграф о сопромате в книгу о телескопостроении? Дело в том, что телескоп дает большие увеличения, и это, кроме положительной стороны, имеет и отрицательную: вместе с увеличением видимых размеров предметов увеличивается и дрожание изображения из-за дрожания инструмента в руках, от ветра, от случайных прикосновений к нему и т. п. На первый взгляд эти дрожания настолько малы, что о них вообще не стоит говорить. Но если вспомнить, что при увеличении, например, в 100 раз во столько же увеличивается дрожание изображения объекта в поле зрения, то станет ясно, что это не пустяк. В самом деле, дрожание изображения предмета с видимой амплитудой в 10' уже мешает наблюдать мелкие детали. Если при увеличении в 100 раз изображение предмета в окуляре дрожит с размахом в 10', то в действительности дрожание телескопа в 100 раз меньше.
Это значит, что он дрожит с размахом в 6". Если труба 150-миллиметрового телескопа с фокусным расстоянием 1200 мм укреплена в середине, то ее конец при этом дрожит с размахом 0,02 мм. Две сотых миллиметра, и мы уже не можем рассматривать мелкие детали! А что же будет при большем увеличении? Дрожание
плохо сконструированной и выполненной монтировки, равно как и трубы телескопа,--дело слишком серьезное: поверьте опыту любителя, не раз терпевшего неудачи.
Начнем с того, что на каждую конструкцию -- простую или сложную -- всегда действует два типа нагрузок: полезные нагрузки и реакции самой конструкции, стремящейся уравновесить полезные нагрузки. Например, на рис. 43, а показана балка, опертая на две опоры по концам. В середине пролета на нее действует
Рис. 43. Изгибающий момент балки.
а) Схема сил, б) эпюра (график) изгибающих моментов, в) рациональные формы балок.
сосредоточенная сила. Если бы на балку действовала только эта сила, то балка начала бы равноускоренное движение вдоль этой силы, на самом же деле балка неподвижна; это значит, что какие-то силы препятствуют ее движению, они уравновешивают вертикальную силу. Этими (в данном случае двумя) силами являются реакции опор. На верхних рисунках легко видеть, что такое реакция опор. Здесь полезные силы -- вес грузов штанги--действуют на балку (перекладину
Рис. 44. Работа консолей, балок и стержневых систем.
а), в), д) и е) Сосредоточенные силы, б) и г) равномерно распределенная нагрузка.
штанги); две опоры (руки атлета) сопротивляются действию сил. Это и есть реакция опор. Реакция опор позволяет штанге оставаться в равновесии, но если силы
спортсмена сдадут, т. е. реакция опор станет меньше полезной нагрузки, штанга немедленно упадет.
Сумма проекций всех вертикальных сил на вертикальную прямую должна быть равна нулю, если всем силам, действующим вниз, приписать знак плюс, а силам, действующим вверх,-- знак минус. Только тогда балка будет оставаться в покое. В первом случае на рисунке слева полезная нагрузка -- сосредоточенная сила -- уравновешена двумя реакциями опор. Во втором реакцией опор--мускульной силой атлета--уравновешены две полезные силы. Когда нагрузки симметричны, реакции опор равны, в противном случае та из опор оказывает большее сопротивление, возле которой сосредоточено больше сил. Рис. 44 показывает примеры полезных нагрузок и реакций опор.
В результате действия нескольких сил на балку она изгибается. Балка сопротивляется этому изгибу -- в ней возникают внутренние напряжения, препятствующие дальнейшему изгибу.
Чем ближе к середине балки действует сила, тем больше изгибающий момент. Конечно, момент зависит еще и от величины силы. Чем ближе к опорам действует сила, тем меньше изгибающий момент. Рассмотрим другой элемент, часто встречающийся в монтировках телескопов -- консоль (рис. 44, а, б) Консоль -- это стержень, один конец которого свободен, а второй прочно зажат (заделан) в какую-то неподвижную опору. Если нагрузить консоль, все реакции сосредоточатся в единственной опоре. Одна из реакций будет сила, направленная навстречу полезной силе или группе сил, и ее величина будет равна алгебраической сумме (сумме с учетом знаков) всех полезных сил. Вторая реакция опоры -- крутящий момент, который стремится повернуть консоль навстречу вращению, вызываемому силой. На нашем рисунке крутящий момент силы действует по часовой стрелке и стремится опрокинуть консоль. Реактивный момент, приложенный к балке со стороны опоры, действует против часовой стрелки и стремится удержать консоль в покое. Сколько бы сил ни было приложено к консоли, реакция всегда будет состоять из силы и крутящего момента. Под действием внешних сил консоль изгибается. В каждом сечении консоли внутренние напряжения противостоят изгибающему моменту. Этот момент,
Рис. 45. Работа тонкого стержня на сжатие (а) и растяжение (б), (в) поперечный изгиб балки и рациональные сечения балок.
а значит, и внутренние напряжения, минимален на конце консоли и максимален возле самой опоры. Если у балки, нагруженной одной силой, "опасное" сечение расположено в районе приложения силы, то у консоли практически во всех случаях опасное сечение лежит возле опоры, поэтому чаще всего консоль имеет сечение, которое монотонно возрастает от конца консоли к опоре.
Изгиб, который мы рассмотрели, называется поперечным. Но возможен еще продольный изгиб. Например, на тонкую и длинную палочку установили большой груз. Палочка стремится изогнуться, она теряет устойчивость (рис. 45, а). Если ее немного поддержать, не давая изгибаться, то она может выдержать значи
тельно больший груз, но если она не имеет дополнительных опор по длине, она теряет равновесие и изгибается. С другой стороны, если на этой палочке тот же груз подвесить, чтобы она работала на растяжение (рис. 45, б), а не на сжатие, как до сих пор, то она выдержит и значительно большую нагрузку. Таким образом, длинные и тонкие стержни плохо работают на сжатие, но вполне хорошо на растяжение.
Теперь рассмотрим форму поперечного сечения балок. Во время поперечного изгиба с нагрузкой, действующей вертикально вниз, верхний пояс балки сжимается, тогда как нижний растягивается (рис. 45, в). Средние же слои деформируются мало. Внутренние напряжения в балке прямоугольного сечения распределяются следующим образом: вдоль оси симметрии усилия равны нулю и пропорционально возрастают по мере продвижения к крайним (верхнему и нижнему) поясам, достигая максимума как раз на самых внешних слоях. Очевидно, что средние слои балки работают с большой недогрузкой. Поэтому можно вместо прямоугольного сечения выбрать такое, где площадь поперечного сечения средних слоев будет меньше. Одним из самых распространенных сечений подобного рода является двутавр (рис. 45, г). Почти аналогичным образом работает и швеллер (рис. 45, д). Вспомним, что тонкие стержни, к которым можно отнести и двутавр со швеллером, плохо работают на сжатие и хорошо на растяжение. Вспомним также, что изгибаемая балка работает своими верхними слоями на сжатие, а нижними на растяжение, конечно, если сила действует вертикально сверху вниз. Теперь ясно, что у двутавра можно резко уменьшить сечение нижнего пояса и сохранить прежним сечение верхнего. В пределе мы получим новое сечение -- тавр (рис. 45, ж). Если подобную операцию проделать и со швеллером, получится уголок (Рис. 45, е). Существуют равнобокие и неравнобокие уголки. У последних одна из полок в сечении длиннее. Подчеркнем, что все эти элементы хорошо работают только в положениях, указанных на рис. 45, г, д,е, ж сверху.
Жесткость горизонтального стержня, нагруженного вертикальными силами, пропорциональна первой степени ширины его сечения и третьей степени высоты
Рис. 46. Жесткость стержней различного сечения. а) Изменение массы при одинаковой жесткости, 6) изменение жесткости при одинаковой массе, в) изменение массы при одинаковой жесткости.
этого сечения. Например, увеличение ширины прямоугольного бруса в два раза увеличит его жесткость тоже в два раза. Увеличение же высоты бруса в два раза увеличит его жесткость в 8 раз (рис. 46, а). При
этом подразумевается, что все силы действуют вертикально. Если они действуют горизонтально, то жесткость пропорциональна кубу ширины. Чтобы не было путаницы, считается, что высота сечения стержня имеет то же направление, что и направление сил. Тогда увеличение высоты всегда значительно выгоднее увеличения ширины. В этом смысле неравнобокий уголок выгоднее устанавливать так, чтобы его большая полка была вертикальной (ее направление совпадает с направлением сил).
Большой интерес представляют полые сечения (рис. 46, б, в), так как при одинаковой площади сечения полые элементы сопротивляются значительно лучше сплошных. На атом основании существует даже мнение, что труба "работает" лучше, чем сплошной стержень того же диаметра. Это ложное мнение. Если наружный диаметр трубы и стержня одинаковы, то стержень "работает" лучше. Но если мы несколько увеличим диаметр трубы против диаметра сплошного стержня, но при этом площадь сечения возьмем для трубы меньше (на деле это означает, что на трубу пойдет меньше материала, и она будет легче), то можно добиться того, что они будут работать одинаково хорошо, а мы, применив трубу, сэкономим материал и добьемся значительного облегчения. То же самое можно сказать, сравнивая сплошной брус с полым коробом (рис. 46, б).
В некоторых случаях выгоднее вместо сплошного сечения взять отдельные стержни в самых напряженных поясах (правая колонка на рис. 44). Так, консоль превращается в кронштейн (рис. 44, а, б), а балка -- в плоскую ферму (рис. 44, в -- е). Консоль имеет растягиваемый верхний и сжимаемый нижний пояса, поэтому выгодно нижний пояс делать из достаточно толстого стержня, а верхний -- из тонкой трубы, называемой растяжкой или вантой.
Очень интересная система -- ферма. Она представляет собой комбинацию стержневых треугольников, построенных так, что одна из сторон треугольника служит основанием другого треугольника. При этом любые нагрузки, приложенный, в вершинах треугольников, вызывают в стержнях только растяжение или сжатие и никогда изгиб. Это позволяет применить значительно более тонкие стержни, чем в сплошных балках при той же жесткости. Нагружение стержня в середине его пролета в фермах нерационально и никогда не применяется.
Здесь нужно оговориться, что это относится только к случаю, когда стержни соединены между собой шарнирами, как, например, показано на рис. 44. На практике вместо шарниров часто применяют жесткое соединение стержней. В этом случае ферма работает несколько иначе, но в основном она остается фермой с ее основными свойствами.
На рис. 47 показаны различные случаи, когда разомкнутые конструкции выгодно заменить замкнутыми, а прямоугольники из стержней -- системой треугольников.
Рис. 47. "Разомкнутые" и "замкнутые" системы.
Прежде чем перейти к описанию монтировок телескопов, необходимо кратко рассказать о небесных координатах.
Небесная сфера -- воображаемая поверхность, не имеющая определенного радиуса. Мы видим эту сферу изнутри, и ее центр находится точно там, где расположен наблюдатель.
Рассмотрим основные точки и круги небесной сферы (рис. 48), для чего выделим из двух сфер, изображенных на рисунке, наружную. Точки пересечения
воображаемой оси вращения небесной сферы с самой сферой называются полюсами. Северный полюс мира (Р) виден в северном полушарии Земли, южный (Р') -- в южном. Близ Северного полюса расположена Полярная звезда. Близ Южного нет сколько-нибудь заметной звезды.
Рис. 48. Подвижная и неподвижная экваториальные системы координат.
Неподвижная система нанесена на наружную сферу, подвижная -- на внутреннюю. Горизонт и меридиан, не участвующие в суточном вращении, на подвижную сферу нанесены штриховыми линиями.
Высоту полюса мира над горизонтом можно измерять в градусах, она равна географической широте места наблюдений (j).
Большой круг сферы, проходящий через точку севера (С, полюс (Р), зенит (Z) и точку юга (Ю), называется небесным меридианом. Меридиан делит небо на два полушария -- восточное и западное.
Линия пересечения плоскости земного экватора с небесной сферой называется небесным экватором. Каждая точка экватора удалена от полюса на 90º. Малые круги, плоскости которых параллельны плоскости экватора и вдоль которых происходит суточное движение светил, называются суточными параллелями.
Экватор проходит через точки востока (В) и запада (З). В южной части неба он максимально поднимается над горизонтом. Точка пересечения экватора с меридианом поднимается над горизонтом на высоту 90º-j.
Для уверенного поиска светил, особенно слабых и невидимых невооруженным глазом, созданы системы небесных координат. Мы рассмотрим только две из них -- неподвижную (первую) экваториальную (наружная сфера на рис. 48) и подвижную (вторую) экваториальную (внутренняя сфера). Разделение сферы на две -- условное, нужное для того, чтобы яснее различать обе системы.
В обеих системах координат одна координата общая. Эта координата указывает кратчайшее на небесной сфере расстояние светила от небесного экватора. Она называется склонением светила (d).
Если светило лежит на экваторе, его склонение равно 0º. Склонение северного полюса +90º, южного --90º. Склонение звезды Денеб (a Лебедя) равно 44º55', склонение звезды Ригель (b Ориона) равно --8º19'.
Вторая координата в каждой системе своя. В первой системе (наружная сфера на рис. 48) -- это часовой угол (t). Часовой угол измеряется от меридиана до светила. По мере вращения небесной сферы часовой угол светила непрерывно меняется, поэтому его удобно измерять в часах, минутах и секундах (ч, м, с или латинскими буквами h, m, s) от меридиана по ходу вращения небесной сферы (по часовой стрелке). Каждый час часового угла равен 15º в угловой мере. Предположим, сейчас меридиан пересекает Капелла (a Возничего), и ее часовой угол равен нулю. Через час часовой угол Капеллы станет 1h (15º), еще через полтора часа 2h 30m (37º,5). Эта система удобна для снабжения телескопа координатным кругом по часовому углу, но неудобна для составления каталогов и звездных атласов. Для каталогов принята вторая (подвижная) система координат (внутренняя сфера на рис. 48). Склонение здесь определяется так же, как и в первой системе, а вместо часового угла служит прямое восхождение (a), которое отсчитывается от так называемой точки весеннего равноденствия до светила против вращения небесной сферы (против часовой стрелки). Так как точка весеннего равноденствия (g) участвует в суточном вращении небесной сферы, вся система координат оказывается подвижной относительно наблюдателя, но
неподвижной относительно звезд. Прямое восхождение отсчитывается также в часах, минутах и секундах. Если сейчас меридиан пересекает светило с прямым восхождением 0h0m, то час спустя его пересечет светило с прямым восхождением 1h0m.
Интересно, что, так называемые звездные сутки начинаются в момент, когда меридиан пересекает точка весеннего равноденствия g В этот момент звездное время всегда равно 0h. Значит, прямое восхождение светил, пересекающих в данный момент меридиан, равно звездному времени в данный момент. Например, если сейчас меридиан пересекает Вега (a Лиры), прямое восхождение которой равно 18h34m, то звездное время равно 18 ч 34 мин. Это очень удобно, так как, взглянув на часы, идущие по звездному времени, мы можем сразу узнать прямое восхождение светил, проходящих меридиан. Предположим, сейчас 5 ч звездного времени. Это значит, что меридиан проходят звезды с прямым восхождением 5h. Но нам надо найти слабую галактику, прямое восхождение которой 3h. Так как прямое восхождение отсчитывается против вращения небесной сферы, нам надо повернуть телескоп к западу от меридиана на 2h. Но этому соответствует часовой угол 2h. Значит, установив на координатном круге телескопа часовой угол 2h, мы приведем галактику в поле зрения.
Звездные сутки--время полного обращения Земли относительно звезд -- на 4 минуты короче солнечных. Дело в том, что благодаря обращению Земли вокруг Солнца мы видим, как оно постепенно перемещается среди созвездий. Каждые сутки оно перемещается приблизительно на 1º к востоку, двигаясь в том же направлении, что и Земля, при вращении вокруг оси. Поэтому солнечные сутки на 4 минуты длиннее звездных. Мы живем по солнечному времени, но телескоп поворачивать за звездами надо со скоростью один оборот за звездные сутки. Это и вынуждает нас мириться с некоторыми неудобствами. О том, как перенести гражданское время, по которому мы живем, в звездное, можно прочесть в соответствующих руководствах [23, 24].
Итак, чтобы найти на небе звезду, которую мы не видим простым глазом, или если и видим, но не можем ее выделить среди мириад звезд, нужно воспользоваться координатными кругами телескопа и координатами звезды, которые можно найти в каталогах или на подробных картах, а для слабых планет (Уран, Нептун) и астероидов -- в астрономическом календаре. Координаты комет публикуются в кометных циркулярах. Во всех этих случаях мы можем путем несложных вычислений по прямому восхождению определить часовой угол светила.
Каждый телескоп снабжается штативом, позволяющим направлять телескоп в любую точку небесной сферы и закреплять его в этом положении. Так как небесная сфера совершает суточное движение, штативы телескопов, называемые монтировками, нередко снабжаются часовыми приводами, которые чаще всего представляют собой электромоторчик мощностью в 7--15 ватт, который через систему шестерен вращает весь телескоп со скоростью один оборот в сутки.
Большинство земных зрительных труб снабжается так называемыми азимутальными монтировками. Азимутальная монтировка имеет две оси -- вертикальную и горизонтальную. На рис. 49 показаны несколько азимутальных монтировок для небольших телескопов.
Первая монтировка (а) представляет собой образец чрезвычайной устойчивости и простоты. Ее нижний конец опирается на два ролика, катящиеся по куску гладкой доски. У окулярного конца -- две ручки, связанные с роликами стержнями. Вращая ручку, мы заставляем вращаться ролики, а телескоп медленно поворачивается по горизонтали. Для грубого наведения по высоте выдвигаем две ножки, а для тонкого вращаем винт, который поднимает или опускает верхний конец. Эта монтировка предложенная в прошлом веке А. Холкомбом, в наше время переживает свое возрождение. Она пригодна для визуальных наблюдений, особенно комет и объектов Мессье, и фотографических наблюдений Солнца.
Вторая монтировка (б) предназначена для рефлекторов, с помощью которых ведутся только визуальные наблюдения туманностей, скоплений, галактик и комет. Эта довольно простая монтировка делается из многослойной фанеры (8--10 мм) с небольшим использо
ванием металлических деталей. Она подробно описана ниже (Ї 53). Это так называемая азимутальная вилка.
Рис. 49. Азимутальные монтировки а) Монтировка Холкомба, б) азимутальная вилка, в) кометоискатель Бредфилда.
На рис. 49 в изображен кометоискатель - короткофокусный рефрактор известного ловца комет Бредфилда (Австралия). Это также вилка, но с небольшими изменениями. Предыдущая монтировка предназначена для телескопов с относительным отверстием 1/4--1/6. Монтировка Бредфилда может применяться с телескопами, имеющими длинные трубы. Для этого ее консоли несколько отогнуты в сторону, а для противодействия дрожанию имеется стержень, который при наведении телескопа на светило открепляется, а затем закрепляется.
Все описанные монтировки страдают тем недостатком, что наблюдатель, следящий за суточным движением светила, вынужден поворачивать время от времени телескоп сразу по двум координатам. Это приходится делать тем чаще, чем больше увеличение телескопа.
Если вертикальную ось азимутальной монтировки наклонить на угол, равный широте места наблюдений, и направить ее на полюс мира, то она станет параллельной земной оси (направление, указанное стрелкой на рис. 50). Поворачивая телескоп только вокруг этой оси, мы сможем удерживать светило неопределенно долго в поле зрения телескопа. Эта ось носит название полярной оси, а вся монтировка -- полярной или экваториальной.
Разумеется, все из перечисленных ранее монтировок можно превратить в экваториальные, если их вертикальные оси наклонить, как было сказано. Конечно, несимметричные монтировки потребуют противовеса, который будет уравновешивать трубу относительно полярной оси. Чаще всего противовес устанавливается на продолжении оси, перпендикулярной к полярной и называемой осью склонений. Поворачивая телескоп вокруг полярной оси, мы изменяем часовой угол, а при повороте вокруг оси склонений изменяем склонение.
На экваториальной "немецкой" монтировке крепятся небольшие телескопы. Монтировка асимметричная и требует противовеса, который для небольших телескопов незначительно увеличивает вес всей установки (рис. 50, а, б). Подробнее о монтировке мы расскажем ниже.
"Немецкая" монтировка имеет тот недостаток, что при прохождении светила через меридиан в районе от зенита до точки севера труба своим нижним концом упирается в колонну. Телескоп приходится "перекладывать", повернув на 180º по склонению и на 12 ч по прямому восхождению. После этого наблюдения можно продолжать. Чтобы избежать этого, колонну изгибают
Рис. 50. Немецкие монтировки.
а) Монтировка с регулируемым наклоном полярной оси, б) монтировка со складным штативом из 10-миллиметровой фанеры, в) монтировка из толстых водопроводных труб, г) монтировка с опущенным противовесом.
под углом, равным широте места, или увеличивают длину полярной оси и опускают опору (рис. 50, в, г).
Если полярную ось удлинить и опереть на две опоры, монтировку можно сделать значительно жестче. Такая монтировка называется английской (рис. 51,а,б).
Чем больше вес телескопа, тем больше должен быть противовес и тем больше прогибается полярная ось. Можно "раздвоить" полярную ось, превратив ее в ярмо
(Рис.51, в )
Труба крепится на полуосях, а ярмо вращается на двух подшипниках, установленных на двух опорах - северной и южной. Ярмо делает недоступной полярную область неба. Это не очень страшно, так как в околополярной области мало интересных объектов. Однако можно преодолеть этот недостаток ярма, несколько искривив его две длинные балки. Ось склонений несколько переместится с полярной оси, и телескоп можно будет направить на полюс мира, но это дается ценой установки противовеса (рис. 51, г).
Чтобы оставить ярмо симметричным и избежать применения противовеса, при строительстве 5-метрового телескопа обсерватории Маунт Паломар было решено северный подшипник ярма выполнить в виде подковы, в которую погружается телескоп во время наблюдений около полюса мира*). Эта подкова в любительских монтировках катается на двух небольших роликах, как это показано на рис. 52, а.
*) Этот тип монтировки предложил в начало века художник, полярный исследователь и любигель телескопостроения Рассел Портер. Когда в 30-е годы он был привлечен к строительству 5-метрового телескопа обсерватории Маунт-Паломар, он применил этот тип монтировки для телескопа-гиганта. Портер предложил многочисленные варианты устойчивых и удобных и работе монтировок [14].
Подшипники полуосей оси склонений можно установить на подкове, как это сделано у 4-метровых телескопов обсерваторий Китт Пик и Серро Тололо. В этом случае удается свести к минимуму прогибы всей монтировки и при том же весе добиться большей жесткости (рис. 52, б).
Если подкову снабдить консолями, чтобы нижняя часть трубы свободно проходила, не задевая плоскости подковы, то подкову можно заменить сплошной шайбой, как это сделано у 2,6-метровнх телескопов Крымской астрофизической обсерватории и Бюраканской обсерватории. Полярной осью здесь служит собственно шайба, которая в любительских монтировках, как и подкова, катается по двум роликам и фиксирована в центре короткой осью (рис. 52, в).
Если шайбу заменить на поперечную балку, называемую траверсой, и обычную полярную ось, получится монтировка, называемая вилочной (рис. 52, г). Это, пожалуй, наиболее распространенная у профессиональных телескопов монтировка. Обычно к числу ее достоинств причисляется отсутствие противовеса. Это действительно преимущество, если длина труби не слишком велика. В противном случае консоли вилки становятся слишком длинными и нежесткими, а если мы нагрузим нижний конец труби, чтобы приблизить центр масс трубы к ее нижнему концу и тем самим
укоротить консоли, то мы лишим монтировку ее главного преимущества: она становится тяжелой.
Многообразие монтировок для телескопов не исчерпывается описанными. Существует довольно много монтировок специального назначения, а также разновидностей описанных. Однако на этом, пожалуй, нужно остановиться и перейти к конструктивным решениям отдельных узлов механики телескопа.
Если зеркало с оправой установлено внутри трубы, то оно достаточно защищено. Поэтому оправа может быть довольно простой и легкой (рис. 53). Она состоит из опорной пластины 3, которая в трех точках крепится к трубе с помощью уголков 4. Эта пластина несет
Рис. 53. Конструкция оправы зеркала.
1--зеркало, 2--пластина-оправа зеркала, 3--опорная пластина, 4--уголок, 5--винты, 6 -- резиновая трубка, 7--гайка, 8--барашек, 9 -- возвратная пружина, 10 -- кружки из фетра, картона и т. п.
на себе другую пластину 2, которая служит собственно оправой зеркала. Зеркало 1 удерживается тремя винтами 5 диаметром 6--8 мм. Для того чтобы при резком охлаждении ночью зеркало не оказалось зажатым этими винтами, между ними и зеркалом надо оставить зазор около 0,5 мм. Еще лучше на эти винты надеть резиновые или пластмассовые трубки 6. Эти трубки будут компенсировать различие в температурных деформациях стекла и металла оправы. В этом случае зазора между трубками и зеркалом можно не оставлять, однако надо проследить, чтобы зеркало не оказалось зажатым.
Зеркало опирается на три "точки". Эти "точки" в действительности представляют собой три кружка из фетра, толстой кожи, войлока, толстого картона 10. Диаметры этих кружков должны составлять 1/8--1/10 диаметра зеркала. Они приклеиваются к пластине каким-нибудь синтетическим клеем, например эпоксидной смолой. Зеркало укладывается на эти кружки, и чтобы оно не выпало при случайном опрокидывании оправы, его фиксируют тремя специальными широкими гайками 7, которые навинчиваются на три винта, удерживающие зеркало. Считается, что зеркало должно немного "играть" в оправе. Для этого достаточно, чтобы между зеркалом и удерживающей его деталью был зазор около 0,2--0,3 мм.
Для точной установки зеркала относительно оси трубы и других оптических деталей оно вместе с оправой должно в небольших пределах наклоняться (юстироваться). С этой целью наша оправа и снабжена винтами 5, барашками 8 и возвратными пружинами 9, надетыми на эти винты. В опорной пластине 3 просверливаются гладкие отверстия, а в оправе 2 -- отверстия с резьбой. При навинчивании барашка угол оправы опускается, а при вывинчивании возвратная пружина поднимает его вверх. Благодаря этому механизму можно легко и с высокой точностью установить (отъюстировать) зеркало в телескопе.
Если зеркало тонкое, его надо разгрузить не на три точки, а на шесть. Это делается при помощи V-образных коромысел (рис. 54, а, б, в). Каждое плечо коромысла служит одной "точкой". Тогда зеркало кладется на все три равноудаленных коромысла, они легко устанавливаются так, что на каждое из плеч приходится совершенно одинаковая нагрузка. Это нам и надо. Важно только, чтобы от нагрузки коромысла не деформировались. Для 150-миллиметрового зеркала нужно взять сталь или латунь толщиной 1,5--2 мм или алюминий -- 3 мм. Остальные размеры можно взять с рис. 54, г. При переходе к большему зеркалу эти размеры нужно пропорционально увеличить, а толщину можно оставить той же. Жесткость коромысла увели
чим добавлением одной "тяги", как показано на рис. 54, б. Можно отлить коромысла с ребрами жесткости из алюминия, силумина и т. п. (рис. 54, в). О том, как это сделать в любительских условиях, рассказано ниже.
Большое достоинство описанных оправ состоит в том, что зеркало в них обдувается воздухом со всех
Рис. 54. Оправа с разгрузкой на шесть точек.
сторон. Это означает, что оно скорее принимает температуру окружающего воздуха при резких ее перепадах, например когда телескоп выносят на улицу.
Эти оправы применяются в подавляющем большинстве телескопов Новосибирского клуба им. Д. Д. Максутова, иногда с незначительными изменениями. Они хорошо работают в телескопах диаметром по крайней мере до 300--350 мм. Только вместо пружин в случае тяжелых зеркал применяются возвратные винты, которые установлены в отверстиях с резьбой в опорной пластине и своим верхним концом упираются в нижнюю часть оправы. Прежде чем опустить край оправы, надо ослабить этот возвратный винт, а потом притянуть оправу барашком. Для подъема края оправы надо ослабить барашек и приподнять оправу возвратным винтом. Аналогичные оправы применяются многими зарубежными фирмами в серийных любительских телескопах Ньютона диаметром до 300--320 мм.
Диагональное зеркало или призма в системе Ньютона устанавливается внутри трубы на верхнем ее конце. В небольшом телескопе диаметром до 140--150 мм лучше всего применить стойку, вырезанную из латунной или стальной пластины толщиной 1,5--2 мм, или же алюминиевой до 3 мм. Алюминий для этих целей надо брать мягкий, чтобы он легко гнулся без изломов под углом 90º. Стойка вырезается ножницами по металлу и потом гнется, как показано на рис. 55, а. Зеркало тыльной стороной приклеивается к стойке на картонной или кожаной прокладке для компенсации различных для стекла и металла температурных деформаций. Можно его приклеить мягким клеем типа "герметик", но только в центральной части, а не по всей поверхности. В этом случае можно обойтись без прокладки.
Призма вклеивается нерабочими треугольными матовыми плоскостями. Нужно следить, чтобы клей не попадал на рабочие, отполированные грани призмы. Особенно опасен канцелярский клей, после которого на поверхности полированного стекла остаются матовые неудаляемые пятна. Вообще же канцелярский клей хорошо склеивает металл со стеклом, бумагой и стекло с бумагой. Правда, через 3--4 месяца клей разрушается. Поэтому его можно применять для временных соединений. Между призмой и стойкой должны быть прокладки из бумаги или тонкого картона толщиной 0,5--1 мм.
Юстируется такая оправа изгибанием стойки, если надо зеркало сместить к оптической оси главного зеркала, перемещением вдоль оси в продолговатых отверстиях для винтов, кренящих стойку к стенке трубы, подкладыванием шайб между стенкой трубы и основанием стойки для наклона, подъема или опускания зеркала. Оправа со стойкой зарекомендовала себя
очень хорошо, она проста в изготовлении и удобна в работе.
Для телескопов диаметром больше 200 мм лучше применить систему растяжек, так как толщина стойки
Рис 55 Оправа на стойке для 45 градусной призмы и оправа на растяжках для диагонального зеркала.
1-винт с барашками, 2 - юстировочные винты, 3 - винт с возвратной пружиной, 4 --лапки.
будет увеличиваться пропорционально квадрату ее длины. Так, для 300-миллиметрового главного зеркала толщину стойки придется увеличить с 1,5 мм до 6 мм. Рис. 55, б поясняет устройство растяжек и оправы.
Растяжки работают только на растяжение и потому могут быть тонкими. Для телескопа диаметром 200-250 мм они могут иметь толщину 0,5--0,7 мм. Их можно сделать из жести или кровельной стали. Растяжки должны быть хорошо натянуты. На концах каждой из них крепятся длинные винты-шпильки 1, которые вставляются в отверстия в трубе так, что их концы оказываются снаружи. На эти концы наворачиваются гайки, ими растяжки и натягиваются.
Конструкция оправы ясна из рисунка. Винтами с барашками 1 оправа крепится к трубе. Ее юстировка производится тремя юстировочными винтами 2 и одним винтом 3 с возвратной пружиной. Пружину можно убрать и стопорить оправу этим центральным винтом.
Зеркало крепится к срезанной под углом 45º части оправы четырьмя лапками из 1-миллиметровой латуни или стали 4, которые приворачиваются к оправе небольшими винтами.
Среди наблюдателей, работающих с телескопом, могут оказаться не только люди с нормальным зрением, но и близорукие и дальнозоркие. Для близорукого глаза окуляр приходится несколько приблизить к зеркалу, для дальнозоркого -- отодвинуть. Величину, на которую надо переместить окуляр, можно определить по формуле
где Д--число диоптрий близорукого или дальнозоркого глаза (для близорукого эта величина берется со знаком "минус", для дальнозоркого--со знаком "плюс"), ф -- фокусное расстояние окуляра в миллиметрах. Например, близорукость наблюдателя --3 диоптрии, фокусное расстояние окуляра 40 мм. Перемещение окуляра составит
Чем больше близорукость (или дальнозоркость) наблюдателя, тем больше придется передвигать окуляр. Наоборот, чем меньше фокусное расстояние окуляра, тем
меньше надо его передвигать при той же близорукости. По приведенной формуле читатель без труда определит, насколько ему придется передвигать окуляр, а значат, и сможет вычислить необходимую длину окулярной трубки.
Есть еще несколько причин, по которым приходится передвигать окуляр, добиваясь наилучшей фокусировки. При изменениях температуры воздуха из-за температурных деформаций зеркала его радиус кривизны и фокусное расстояние изменяются, поэтому требуется некоторая перефокусировка окуляра. Перефокусировка требуется и при смене окуляров из-за небольших ошибок в размерах их оправ. При наблюдении земных предметов, когда расстояние до предмета не равно "бесконечности", приходится слегка выдвигать окуляр; этот эффект уже хорошо заметен при фокусном расстоянии зеркала 1000 мм и расстоянии до объекта менее 1,5--2 км.
Исходя из этих предпосылок, выберем простейшую конструкцию фокусировочного устройства (рис. 56, а). Оно состоит из двух трубок: неподвижной 1, которая крепится непосредственно к трубе телескопа, и подвижной 2, которая с трением, но плавно перемещается в первой. Трубки эти можно подобрать, выточить или склеить из ватмана эпоксидной смолой. Этот материал по свойствам напоминает пластмассу. Трубки склеиваются на болванках подходящих диаметров. Толщина стенок 1,5--2 мм.
Большую по диаметру трубку вклеивают в круглое отверстие в стенке трубы телескопа, которое сначала высверливается по окружности дрелью, а потом обрабатывается полукруглым напильником. Чтобы склейка была прочной, смочим в эпоксидной смоле жгутик из ваты, следя за тем, чтобы вата полностью пропиталась смолой, и проконопатим этим жгутиком место склейки, чтобы образовался плотный шов. После затвердевания смолы обрабатываем шов напильником.
Вставим меньшую трубку в первую и станем, слегка поворачивая ее, вдвигать или выдвигать. Чтобы трубка не проваливалась в неподвижную, на краю подвижной надо сделать бортик. В случае бумажно-клеевой трубки это может быть несколько слоев бумажной полоски, наклеенной на край трубки. Окуляр вставляется в подвижную трубку также на трении.
Можно несколько усовершенствовать это устройство, если на наружной трубке просверлить серию одинаковых отверстий вдоль спиральной линии, а потом распилить их надфилем, чтобы получился криволинейный направляющий паз одинаковой ширины. В под-
вижной трубке сверлится отверстие и нарезается метчиком резьба для винта М4--М6. Вставив винт в направляющую щель, ввернем его в отверстие с резьбой в подвижной трубке. Ведя за винт 3, можно с удобством перемещать подвижную трубку. Вместо стандартного винта лучше сделать специальный поводок. Для
этого на стержне подходящего диаметра нарезаем леркой резьбу на длину чуть больше толщины стенки подвижной трубки. Остальную часть стержня оставляем гладкой.
Если вы имеете доступ к токарно-винторезному станку, можно и подвижную трубку снабдить резьбой с шагом около 2 мм (Рис. 56, б). Резьбу лучше сделать однозаходную: так и проще и удобнее. В этом случае неподвижная трубка должна быть снабжена фланцем 5, с помощью которого она крепится к трубе телескопа. Подвижная трубка снабжается валиком с накаткой 4. Для того чтобы окуляр надежно держался на своем месте, надо на конце подвижной трубки сделать пропилы, как показано на рис. 56, а, в, и несколько подогнуть внутрь образовавшиеся концы.
Будет хорошо, если удастся достать старое фокусировочное устройство микроскопа с кремальерой: специальной зубчатой гребенкой, по которой катится зубчатое колесо с тем же шагом зубьев *). На валу этого колеса установлена ручка -- штурвальчик, которую наблюдатель вращает. Зубчатое колесо толкает гребенку, а та в свою очередь заставляет подвижную трубку с окуляром передвигаться вдоль оси. Ї 37).
Если у вас есть доступ к фрезерному станку, можно гребенку нарезать прямо на подвижной трубке. Для этого, выточив и тщательно подогнав подвижную трубку к неподвижной, устанавливаем подвижную трубку в тисках фрезерного станка перпендикулярно к дисковой фасонной зуборезной фрезе и начинаем последовательно нарезать зуб за зубом, перемещая каретку с тисками вдоль оси трубки каждый раз на величину шага, который надо предварительно замерить на специально подобранной широкой шестеренке, которая будет служить в окончательно собранном узле. Детали этого устройства хорошо видны на рис. 55, в.
Длина подвижной трубки должна быть такой, чтобы при самом большом выдвижении она на 1,5 своего диаметра оставалась в неподвижной трубке.
Внутренний диаметр подвижной трубки выбирается из расчета, чтобы стенки трубки не срезали конуса лучей. Приблизительно этот диаметр можно определить, если к диаметру конуса лучей в том сечении его, где он входит в трубку, прибавить линейный поперечник поля зрения. Если при определении размеров диагонального зеркала мы допускали некоторое виньетирование пучка на краю, то в случае с окулярной трубкой виньетирование должно быть исключено, так как край трубки расположен слишком близко к фокальной поверхности и границы срезаемой части слишком резки. Поэтому виньетирование лучше всего полностью исключить.
В многочисленных руководствах по любительскому телескопостроению постоянно указывается на то, что большая масса телескопа -- залог его высокой жесткости. Эта тенденция, до сих пор широко бытующая в любительской среде, приводит просто к курьезным последствиям. Складывается впечатление, что часто любители соревнуются в том, кому удалось сделать телескоп самой большой массы. Известны 150-миллиметровые рефлекторы массой 500--800 кг. Их трубы-- нередко стальные цилиндры с толщиной стенок 3--5 мм! Для сравнения укажем, что грамотно сконструированная и снабженная ребрами жесткости труба 600--700-миллиметрового телескопа обычно имеет толщину стенок 2--3 мм. Еще более разительные результаты мы видим, когда профессиональный конструктор, комплексно подходя к задаче, не только "выжимает" максимум возможного из механической части телескопа, но еще и выбирает рациональную оптическую схему. Так, например, телескоп системы Шмидта -- Кассегрена "Силестрон-14", имеющий действующее отверстие диаметром 350 мм и эквивалентное фокусное расстояние 3500 мм, настолько легок, что его переносит один человек! Правда, оптическая система Шмидта-- Кассегрена слишком сложна для начинающего любителя, зато вполне в его силах проявить максимум осмотрительности при выборе механических конструкций узлов телескопа, чтобы при максимальной и вполне разумной жесткости получить минимальную
массу телескопа. Кроме чисто эстетической стороны этой инженерной задачи, есть еще и утилитарная сторона дела: большинство любителей не имеет постоянной обсерватории и вынуждено выносить телескоп на площадку чаще всего в одиночестве.
Из существующего многообразия конструкций трубы телескопа выберем круглую трубу. Описанная в книге М. С. Навашина и других руководствах "чикинская доска" слишком примитивна и требует ненамного меньше труда, чем описанная здесь круглая труба. Квадратная труба, сделанная из дерева, слишком тяжела, а сделанная из металла (например, алюминия) слишком трудоемка при посредственных качествах. Фермы, в том числе ферма Серрюрье [1], и предварительно напряженная ферма А. Н. Подъяпольского [4, 6] слишком трудоемки и рациональны только для сравнительно больших телескопов, когда другого разумного решения просто нет. При диаметре зеркала до 300--400 мм и ее длине до 2--2,5 м нет смысла отказываться от круглой тонкостенной трубы.
Заметим, что многие зарубежные фирмы на протяжении уже двух десятилетий выпускают такие трубы подобных размеров, склеенные из стеклоткани, а, начиная с конца 70-х годов, многие из них перешли на бумажно-клеевые трубы как еще более рациональные. Для телескопов указанных размеров жесткость этих труб вполне достаточна, а масса несоизмеримо меньше массы металлических.
Если диаметр трубы небольшой, подберем болванку из дерева, металлическую или асбоцементную трубу с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы телескопа. Этот последний должен быть на 25-- 30 мм больше диаметра зеркала, но если размеры оправы вынуждают взять больший диаметр, значит, надо его увеличить. На эту болванку плотно наматываем два слоя газетной бумаги, и чтобы она не разматывалась, "прихватываем" канцелярским клеем или изолентой. После этого смазываем газету каким-нибудь маслом, чтобы она впоследствии не прилипла к эпоксидной смоле.
Приготовим 150--200 г эпоксидной смолы. Оборачиваем болванку одним слоем ватмана без смолы и после этого намазываем полосу шириной 200--300 мм вдоль трубы смолой на внутренней стороне бумаги. Намазывать лучше всего широкой лопаткой в виде шпателя, постоянно следя за тем, чтобы слой смолы был одинаковой толщины и без неоднородностей. Нужно, чтобы ватман наматывался совершенно ровно, не перекашиваясь при намотке. После примерки наматываем смазанную часть на болванку и намазываем еще 200--300 мм. Наматывая ватман, очень важно следить за тем, чтобы между слоями не образовывалось пустот. Если это произошло, нужно постараться выдавить воздух, разглаживая лист. Если это не помогает, надо лезвием бритвы надрезать "пузырь" и выдавить воздух в разрез, разгладив бумагу.
Смола быстро твердеет, поэтому не нужно готовить ее более 200 г. Когда смола кончается, очень важно очистить посуду, не оставив твердеющей смолы, так как в следующей порции смолы будут попадаться твердые комочки, которые трудно устранить.
Обычно ширина листа ватмана недостаточна для полной длины трубы, в этом случае склеиваем две трубы длиной в ширину ватмана и половинной толщины. После затвердевания обеих половинок составляем их торцами и наворачиваем лист ватмана на стык. Для лучшей стыковки труб очищаем края от наплывов смолы и косо намотавшихся краев трубы. Навернув среднюю часть трубы, наворачиваем бумагу на ее концы. Ширина этих полос, разумеется, меньше полной ширины бумаги. Подобным образом поступаем, если длина болванки мала. Нужно следить за тем, чтобы швы всегда были "в разбежку" -- не совпадали один с другим. Важно, чтобы бумага или стеклоткань не просто склеивались, а хорошо пропитывались на всю толщину листа. Только в этом случае получается достаточно однородная и прочая масса. Поэтому нужно, чтобы смола была не слишком густой. Если она густа, можно добавить пластификатора или просто ацетона. Ацетон наливается в посуду, куда наложена густая смола без отвердителя и оставляется до полного растворения смолы. Обычно на это требуется около суток.
Общая толщина стенок трубы 150-миллиметрового рефлектора должна быть 3--4 мм, если труба склеена из ватмана и 2--3 мм, если из стеклоткани. Расчеты показывают, что жесткость на продольный изгиб 200-миллиметровой трубы (для 150--170-миллиметрового
зеркала) при толщине бумажных стенок 3--4 мм с эпоксидной смолой не ниже, чем жесткость на изгиб сплошного стального стержня диаметром около 65 мм. На первый взгляд этот результат кажется совершенно бессмысленным. Чутье подсказывает нам, что стальной стержень должен быть значительно жестче бумажного. Но если вспомнить, что сейчас речь идет только о жесткости при продольном изгибе трубы от совершенно равномерно распределенной по ней нагрузки, то такой результат удивлять не будет.
В действительности на трубу действуют несколько сосредоточенных нагрузок: вес оправы и зеркала, оправы диагонального зеркала, окулярного узла и, наконец, реакция опоры -- оси склонений, к которой прикреплена труба. Если на стенку тонкостенной трубы воздействовать большой сосредоточенной нагрузкой, например просто сильно надавить рукой, она прогнется, а может и проломиться. Для того чтобы этого не случилось, надо ввести несколько ребер жесткости, которые, мало добавляя в массе, значительно увеличат жесткость при сосредоточенных нагрузках. Эти ребра могут выглядеть как дополнительные кольца из металла или все той же бумаги или стеклоткани. На рис. 57, а показана такая труба в разрезе. Сначала склеиваются кольца толщиной примерно 4--5 мм и длиной по 100 мм для концов трубы и 200 мм для того места, где будет крепиться ось склонений. Потом на эти кольца наворачиваются слои собственно трубы. Ребра жесткости можно навернуть и сверху трубы, но при этом несколько пострадает внешний вид телескопа.
Если автору книги не удалось убедить читателя в целесообразности бумажно-клеевой трубы или трубы из стеклопластика, он может изготовить и металлическую трубу. Материалом здесь будет служить листовая, 0,5--0,8 мм, сталь или листовой алюминий. Толщина слоя алюминия 0,8--1 мм. В качестве ребер жесткости можно использовать три старые алюминиевые кастрюли с незавальцованными краями, дно которых вырезается с таким расчетом, чтобы оставался внутренний бортик шириной около 15 мм для нижнего конца трубы, 10 мм для средней части и около 5 мм для верхней части (рис. 57, б). Впрочем, от третьей кастрюли можно отказаться, если завальцевать верхний край трубы. Делается это с помощью плоскогубцев, которыми постепенно отгибая наружу край на ширину 8--10 мм, мы обходим всю окружность (рис. 56, г). После первого круга, когда край отогнут на 40--45º, повторяем операцию, отгибая кромку на 5--6 мм еще
а)
в) г)
Рис. 57. Конструкция круглой трубы. а) Бумажная труба, б) металлическая труба, в) клепка, г) вальцевание.
на 45º, наконец, отгибаем кромку шириной около 2--3 мм еще на 45º.
Продольный шов свернутого в трубу листа склепы выем (рис. 57, в) или соединяем болтами с гайками. Кастрюли так же приклепываются или соединяются с трубой винтами. Надо обязательно иметь в виду, что жесткой будет такая труба, где ребра жесткости (кастрюли без дна) будут вставлены в трубу с достаточным трением так, чтобы ребра слегка распирали трубу.
Даже после того как мы ввели ребра жесткости, надо рационально распределить внешние нагрузки. Под шляпки винтов, которыми опорная пластина
оправа зеркала крепится к трубе, надо подложить шайбы, чтобы увеличить площадь опоры шляпки. То же надо сделать во всех случаях, когда шляпка или гайка опирается непосредственно на бумагу или стеклоткань.
Окулярная трубка крепится к трубе с помощью фланца. Для того чтобы плоская поверхность фланца сочленялась с цилиндром трубы, на трубе надо сделать "прилив", имеющий плоскую поверхность. Вокруг круглого отверстия для пучка лучей на стенке трубы телескопа сделаем из пластилина два бортика -- один по диаметру отверстия, а второй- по наружному диаметру фланца. Высота бортика по всей окружности должна быть одинаковая и превышать наиболее высокую часть горизонтально положенного цилиндра трубы на 3-- 5 мм. Между двумя бортиками наливаем эпоксидную смолу. Чтобы в дальнейшем смола не растрескалась, ее надо армировать с помощью кусочков любой ткани, лучше стеклоткани. Эти кусочки погружаются в смолу, смачиваются в ней и укладываются между пластилиновыми бортиками. После того как высота этого слоя материи и смолы на 2--3 мм не дойдет до края бортиков, остановимся и, если надо, немного дольем смолы, чтобы поверхность "прилива" стала совершенно ровной. Осторожно положим трубу так, чтобы "прилив" образовал поверхность, перпендикулярную к оптической оси окуляра. После затвердевания смолы в "приливе", так же как и во фланце окулярной трубки, сверлятся отверстия для крепежных болтиков, которых должно быть 3 или 4 (см. рис. 56, а).
Можно поступить и иначе. Из 2-миллиметрового листа алюминия или 1--1,5-миллиметрового листа стали вырежем прямоугольник. Края его согнем, как показано на рис. 56, б, в. Сгибать нужно в тисках, постукивая молотком возле места, где пластина зажата.
После сгибания начертим чертилкой окружность того же диаметра, что и диаметр окулярной трубы. Высверлим дрелью или на сверлильном станке центральную часть окружности и обработаем ее край полукруглым напильником. Пластинку укрепим винтами на трубе, а к ней привернем фланец неподвижной трубки окулярного узла. Несмотря на кажущуюся слабость. такой пластины, узел получается очень жестким. Важно только, чтобы все три грани изогнутой пластины были прикреплены винтами к трубе, как показано на рис. 56,б,в.
Искатели (см. Ї 59) чаще всего крепятся двумя различными способами. Наиболее распространен способ, когда искатель вставляется в два кольца, установленных на некотором расстоянии на трубе. Трубка
а)
б)
Рис. 58. Крепление искателей.
искателя поддерживается в каждом из колен, тремя винтами. Вращая головки винтов, мы можем наклонять оптическую ось искателя в ту или иную сторону. Кольца со стойками могут быть отлиты из алюминия или выточены на токарном станке, а дуги, с помощью которых они крепятся к трубе, можно вырезать и обработать вручную из 10-миллиметрового алюминия. На рис. 58, а показана форма стоек, благодаря которой нагрузка от искателя хорошо распределяется на довольно большую площадь.
Второй способ несколько напоминает юстировочное приспособление оправы главного зеркала. Здесь с помощью трех винтов и возвратных пружин юстируются два диска, один из которых жестко укреплен на трубе, а второй жестко скреплен с искателем (рис. 58, б).
Теперь, когда достроены труба и оправы зеркала и призмы, можно собрать телескоп и отъюстировать
Рис. 59. Юстировка телескопа Ньютона.
его. Кто-то сравнил рефрактор с роялем, всегда готовым к работе, а рефлектор со скрипкой, которую перед игрой надо настроить. Однако процесс юстировки ньютоновского телескопа прост, и делать это требуется 2-3 раза в год.
Рассмотрим процесс юстировки (Рис. 59). Из фокусировочной трубки вынимаем окуляр и смотрим на призму, следя за тем, чтобы верхний и нижний края трубки были видны строго концентричными -- это важно на протяжении всей юстировки (рис. 59, а). Дальше обратим внимание на положение призмы относительно трубки. Если центр призмы не совпадает с центром трубки, приведем ее в надлежащее положение (рис. 59, б). Как это сделать, сказано при описании конструкции оправ призмы и диагонального зеркала. Следующий шаг -- так наклонить призму в оправе, чтобы отражение главного зеркала в ней стало концентричным (рис. 59, в). Наконец, наклоняя главное зеркало с помощью юстировочных винтов оправы, добьемся того, чтобы и отражение призмы в главном зеркале стало концентричным со всеми деталями и их отражениями. В этот момент все детали окажутся на единой оптической оси телескопа (рис. 59, г), а в центре отражения призмы будет видно отражение глаза наблюдателя. В некоторых руководствах рекомендуется обозначить центры главного и вспомогательного зеркал (или призмы) перекрестиями из нитей. Однако при относительном отверстии 1/6--1/8 достаточно той точности, с которой это сделали мы.
Для того чтобы избежать отражений от внутренних стенок трубы и других деталей на пути пучка света, все они красятся черной матовой краской, например темперой или масляной краской, в которую добавлен для матовости скипидар.
Простейшая немецкая монтировка, так же как азимутальная, может быть собрана из водопроводного тройника, нескольких обрезков труб и пары стопорных винтов (рис. 60). Для того чтобы ось склонений вращалась плавно, надо в тройник 1 добавить пару медных или латунных втулок 2. Для этого на концах толстостенной медной или латунной трубы подходящего диаметра нарезаем резьбу на токарном станке или специальным резьбонарезателем, который можно найти в любой сантехнической мастерской. После нарезания резьб отрезаем кусочки этих труб с таким расчетом, чтобы после того как концы с резьбами будут завернуты в тройник, втулка на 2--4 мм выступала из тройника, чтобы эти втулки не выворачивались, их можно "посадить" на какой-нибудь клей. В третий патрубок тройника вставим длинную трубку 3 -- это будет полярная ось.
Во втулки оси склонений вставляем собственно ось.
Это труба или стержень такой длины, чтобы на нем можно было укрепить как телескоп 5, так и противовес 6. Так как желательно, чтобы вес противовеса не
был слишком большим, нужно увеличить длину плеча, на котором крепится противовес. Конечно, удлинение это нужно сделать в разумных пределах -- скажем, длина плеча оси, где крепится противовес, может быть на 30--50% больше длины плеча, на котором крепится труба телескопа.
К оси склонений надо жестко прикрепить трубу. Для этого выточим или подберем фланец 7, в котором
Рис. 60. Узел осей монтировки.
1--тройник, 2--бронзовые втулки, 3--вертикальная (или полярная) ось, 4--горизонтальная ось (или ось склонений), 5--труба телескопа, 6 -- противовес, 7 -- фланец, 8 -- бронзовые втулки, 9 -- корпус вертикальной оси, 10--винт, предупреждающий выпадение оси, 11--стопорные винты (тормоза), 13 -- хомут.
просверлим отверстие того же диаметра, что и ось. Лучше, если это отверстие будет меньше на 0,1 мм. Тогда, нагрев фланец до температуры 100--150º, вставим в него ось. После остывания фланца его размеры сократятся, и он жестко "сядет" на ось. Если не удастся установить фланец на "горячую" посадку, придется в нем сделать два отверстия через 120º. В соответствующих местах оси просверлим отверстия и нарежем в них резьбу. После этого закрепим фланец на оси с помощью винтов. Для оси диаметром 25--30 мм нужно взять винты М6 -- М8. Можно плотно насадить фланец на ось с эпоксидной смолой или просто приварить его к оси. Если читатель в состоянии наладить у себя литье алюминия в его простейших формах, можно ось залить (заформовать) в пластину, к которой крепится телескоп. О том, как это сделать, рассказано дальше.
Противовес должен легко и просто закрепляться на оси, а в случае нужды легко перемещаться вдоль оси для балансирования. Кроме того, важно, чтобы во время работы противовес случайно не соскользнул с оси, когда этот конец направлен вниз. Чтобы избежать падения противовеса, лучше всего на отрезке оси, где он перемещается, нарезать резьбу. В центре же самого противовеса также надо нарезать резьбу. Теперь противовес легко перемещается по оси, а контргайка его надежно фиксирует. Можно и на гладкой оси установить противовес, который будет фиксироваться небольшим винтом, а для того чтобы противовес не упал, на конце оси установим небольшой винт, который задержит его, если он соскользнет.
Полярная ось прочно вворачивается в средний патрубок тройника. Нижний конец оси вставляется во втулки 8, плотно установленные в корпусе оси 9. Втулки могут быть установлены на "горячей" посадке, вставлены на клею или фиксированы винтами, проходящими сквозь трубку -- корпус оси. Для того чтобы оси не выпадали из корпусов, на концах последних следует ввернуть по винтику 10, которые входят в пазы, проточенные в осях.
Теперь полярную ось надо установить под углом к горизонту, равным широте места наблюдений. Проще всего ее приварить примерно под этим углом к вертикальной стойке, которая будет служить основанием монтировки. В одном из рефлекторов-кометоискателей клуба им. Д. Д. Максутова корпус полярной оси был прикреплен к стойке с помощью эпоксидной смолы и стеклоткани. В стойке предварительно был сделан срез под углом 55º к горизонту. После этого срез трубы был обработан напильником так, чтобы корпус полярной оси ложился на срез, как в ложе. Затем были нарезаны узкие (25--30 мм) полосы, которые смачивались эпоксидной смолой, и корпус оси приматывался ими к стойке. После затвердевания смолы стеклопластик обрабатывается напильником. Соединение осей
можно осуществить также с помощью литейной техники (см. Ї 51).
Рис. 61. Пластины и хомуты для крепления трубы телескопа к оси склонений.
Наконец, рассмотрим простой способ крепления трубы телескопа к оси склонений. Фланец, наваренный или привинченный к концу оси склонений, имеет слишком малую площадь, чтобы к нему непосредственно можно было крепить бумажную или стеклопластиковую трубу. Поэтому к фланцу прикрепим шестью винтами М6 -- М8 прямоугольную пластину толщиной 10--12 мм, а уже к ней трубу. Чтобы плоскую поверхность пластины сочленить с цилиндрической трубой, надо на концах пластины укрепить пару дугообразных деталей -- лож (1 на рис. 64 ). Эти детали можно выполнить из алюминия, стали, в крайнем случае и из многослойной фанеры. Толщина дуг -- 10--20 мм. С помощью клея и винтов М4 они прикрепляются к пластине. Так как в дальнейшем они будут работать только на сжатие -- прижиматься к пластине, смысла в особо жестком их креплении нет. После закрепления дуг на пластине надо укрепить два, а можно и один хомут, который будет прижимать трубу к пластине (рис. 61). Эти хомуты делаются из прочных ремней с пряжками или из 1--2-миллиметрового металла. Если их два, то они устанавливаются на концах пластины, если один -- в середине. Металлические хомуты стягиваются винтами. При затягивании хомутов не нужно опасаться прилагать большие усилия. Большое усилие при затягивании создаст предварительное напряжение в стенках трубы, а это приведет к увеличению запаса прочности и жесткости. Это усилие (сжатие) действует по окружности стенки трубы, никак не изгибая ее, а только сжимая. Для этого нужно, чтобы хомуты и дуги, на которых лежит труба, охватывали весь периметр трубы не оставляя свободных промежутков более 1--2 см. В противном случае усилия в хомутах надо несколько уменьшить, чтобы в свободных, не охваченных хомутами участках трубы стенку не "выперло" и она не потеряла устойчивости. Впрочем, и при неполном прилежании трубы усилия могут быть достаточно большими. Это крепление гораздо надежнее и жестче, чем крепление трубы винтами непосредственно к пластине или ложам. Кроме того, оно позволяет легко отделять трубу от монтировки, а это важно при переносе телескопа. Оно также позволяет перемещать трубу вдоль ее оси для балансировки и поворачивать вокруг оси, чтобы придать окуляру желаемое направление (вбок, вверх и т. п.).
В тех случаях, когда диаметр зеркала больше 150 мм или когда по каким-нибудь иным причинам труба тяжела, узлу крепления трубы надо придать более рациональную форму. Прежде всего, кольца -- хомуты, в которых лежит труба, придется сделать жесткими -- литыми или вырезанными из металлической трубы подходящего диаметра. На одной стороне хомута установим шарнир, как показано на рис. 62. На другой стороне хомутов -- приливы для крепления стягивающего винта. Жесткость узла достигается за счет рационального напряжения в стенках трубы (сжатие без изгиба).
Пластина оси склонений для жесткого крепления к оси должна иметь прилив, куда запрессована ось, и ребра жесткости, которые идут от прилива к углам пластины и имеют максимальное сечение около прилива и сходят на нет на концах. Толщина пластины и ребер около 6--8 мм, если труба имеет диаметр до 200 мм и длину около 1500 мм. Толщина хомутов 3-- 5 ми, а ширина 15--25 мм. Описанная конструкция пластины значительно жестче предыдущей, но ее вес остается почти неизменным.
Рис. 63. Более жесткая конструкция крепления трубы.
Ребристую пластину можно без потери жесткости заменить цилиндрической. В этом случае она вырезается автогеном или высверливается дрелью из толстостенной трубы. Прилив приваривается, на нем сверлится отверстие, в котором нарезается резьба для стопорного винта, а ось склонений вворачивается на резьбе в прилив.
На рис. 63, а показаны нагрузки, действующие на оси экваториальной монтировки, и изгибающие моменты. Исходя из того, что по мере увеличения изгибающего момента надо увеличивать и сечение оси, здесь
a)
Рис. 63. Нагрузки на экваториальную монтировку. а) Эпюры изгибающих моментов и б) рациональная форма осей.
же приведены и наиболее рациональные с точки зрения прогибов продольные сечения осей (рис. 63, б). Конечно, на практике можно несколько упростить сечения и даже просто взять их постоянными по всей длине, но в этом случае надо помнить, что без заметного увеличения жесткости мы значительно увеличиваем вес оси. Поскольку часто оси делаются постоянного поперечного сечения по всей длине, то увеличение веса оси очень заметно. Правда, и к рациональному сечению надо подходить творчески. Например, сечение оси склонений на конце противовеса может быть выбрано меньше, чем на остальных участках, так как прогибы конца противовеса не так важны, как прогибы на остальных участках. Однако чрезмерное уменьшение сечения оси на конце противовеса может привести к ощутимым вибрациям, которые будут передаваться всей монтировке.
В некоторых руководствах рекомендуется подшипники осей установить на прямоугольных пластинах. В этом случае одна из пластин, на которой крепится полярная ось, устанавливается наклонно к горизонту, а вторая крепится к фланцу на конце полярной оси. На первый взгляд такая конструкция много проще. Однако это кажущаяся простота. На деле эта конструкция более трудоемка, а самое главное, значительно менее жесткая. Замена труб в качестве корпусов осей на пластины приводит к увеличению веса узла в 4 раза при той же жесткости или к потере жесткости в 20-- 25 раз при том же весе. Можно пластину заменить швеллером, но и в этом случае мы проиграем в жесткости по сравнению с трубой.
Кроме того, в случае трубчатых корпусов значительно легче установить тормоза и микрометрические ключи тонких движений, а также часовой механизм с червячной парой.
Проще всего соединить корпус оси склонений и полярную ось, приварив конец полярной оси к корпусу оси склонений. Важно при этом проследить за строгий перпендикулярностью обеих осей. Можно выполнить это соединение с помощью литья (см. ниже).
Но лучше всего выполнить этот узел разборным (рис. 64). Для этого к боковой поверхности корпуса оси склонений 2 приварим круглую стальную пластину 3 диаметром примерно на 50% больше диаметра корпуса, а на полярной оси выточим или приварим с последующей проточкой фланец того же диаметра 4, что и круглая пластина. После этого полярная ось через фланец крепится к круглой пластине на корпусе оси склонений с помощью винтов.
Исходя из расчетов и многолетнего опыта любителей, можно рекомендовать диаметры для оси склонений и диаметр на северном подшипнике для полярной оси равным 30 и 40 мм соответственно при расстоянии между подшипниками около 200--250 мм, если речь идет о 150-миллиметрвом телескопе. По мере увели
чения диаметра зеркала масштаб изображения увеличивается пропорционально первой степени диаметра зеркала. В то же время нагрузки и, в частности, вес -- пропорциональны 3-й степени. Жесткость же осей пропорциональна 4-й степени их диаметра (конечно при одном и том же материале). Таким образом, при увеличении диаметра зеркала надо пропорционально увеличить и диаметр осей. Например, для зеркала диаметром 250 мм выберем диаметр осей 50 мм.
Рис. 64. Экваториальная монтировка с шарикоподшипниками.
1 -- пластина и ложе для крепления трубы 1 телескопа, 2--корпус оси склонений, 3--пластина для крепления к полярной оси, 4--фланец полярной оси, 5 -- шарикоподшипники.
Оси совершенной немецкой монтировки можно установить в шариковых подшипниках, а подшипники должны быть запрессованы в корпусах, имеющих форму труб. Для этого концы корпусов надо расточить с таким расчетом, чтобы внутренний диаметр корпуса был на 0,05 мм меньше наружного диаметра подшипника. После расточки корпус нагревается до 100--150º и подшипники закладываются в корпус. После остывания корпуса подшипник оказывается плотно сидящим на месте. Нужно проследить за тем, чтобы разница в диаметрах не превышала 0,05 мм, иначе подшипник может оказаться пережатым и будет плохо работать.
Лучше, однако, расточить корпус так, чтобы подшипник становился на место с трением, но без люфта. В этом случае весь узел окажется разборным, но для того, чтобы подшипники не выпадали, придется сделать колпачки, которые будут надеваться на корпуса и удерживать подшипники от выпадения. Эти колпачки будут одновременно защищать подшипники от пыли и грязи.
Изгибающий момент, а вместе с ним и сечение вилки возрастают по мере продвижения от концов консолей к их основанию и далее к середине траверсы -- к месту, где крепится полярная ось (рис. 65, а). В соответствии с этим рассмотрим различные варианты конструкции вилки. Конечно, как и прежде, кое-где мы можем отступить от принципа наибольшей выгоды и, возможно, какие-то элементы будут работать с некоторой недогрузкой. Однако везде, где это возможно, надо стараться придерживаться оптимальной формы вилки и осей.
На рис. 65 показаны несколько вариантов вилки. На рис. 65, б показана вилка, сваренная из толстостенных труб. Их диаметр для 150-миллиметрового телескопа с 1200-миллиметровой трубой составит 50--60 мм при толщине стенок около 3 мм. Правда, надо иметь в виду, что это справедливо при условии, что центр тяжести трубы смещен вниз и расположен на расстоянии 1/3 длины трубы телескопа от нижнего конца. В этом случае длина консолей составит примерно 450-- 500 мм. Если длина консолей больше, желательно увеличить диаметр траверсы, как показано на рис. 65, в. Для 250-миллиметрового телескопа диаметр консолей составит около 60--70 мм при длине примерно 500-- 600 мм, а диаметр траверсы--80--100 мм.
На рис. 65,г показана вилка, сваренная из швеллера. Для 150-миллиметрового телескопа с трубой 1200 мм подходящим будет швеллер No 6--7. Сварку можно заменить "косынками", с помощью которых скрепляются траверса и консоли. Косынки приклепываются или приворачиваются винтами.
На рис. 65, д изображена вилка с тавровым сечением консолей и траверсы. Сечение удобно тем, что оно легко может быть отлито из силумина или алюминия. В разделе, посвященном литью в любительских условиях, подробно рассказано об изготовлении модели формы и отливки вилки этого сечения.
Рис. 65. Виды вилок
а) Оптимальная, б, в) из труб, г) из швеллеров, д) литая, е) сварная из тонких труб.
Вилку можно сварить из 25--30-миллиметровых труб, как показано на рис. 65, е.
В последние годы среди любителей телескопостроения получили широкое распространение визуальные телескопы Ньютона простейших конструкций, предназначенные для визуальных наблюдений комет, туманностей, звездных скоплений и галактик. Нередко эти телескопы достигают огромных по любительским масштабам размеров -- вплоть до 600 мм. В сущности это огромные подзорные трубы. Делаются они на установке Добсона, показанной на рис. 49, б.
Для жесткости консоли "схвачены" с одной стороны стенкой. Полуоси -- металлические диски, привернутые к стенкам квадратной трубы. Вырезы на концах консолей оклеены фетром. По высоте телескоп вращается на трении. Вертикальная "ось" -- две пластины из 10--20-миллиметровой фанеры с прокладкой листа жести для лучшего скольжения. Подобно поворотному столику для шлифовки обе пластины в центре "схвачены" болтом. Если большие телескопы с успехом работают на таких монтировках, то тем более следует рекомендовать подобную вилку для небольших телескопов начинающих любителей.
Полуоси оси склонений в вилочной монтировке лучше устанавливать на консолях, а подшипники этих осей на трубе. Большое значение при установке полуосей имеет то, что они должны лежать строго на одной прямой, являясь продолжением одна другой. Это условие также легче выполнить при установке полуосей на консолях, а не на трубе, как это до сих пор чаще всего делалось. В этом случае на консолях крепится сплошной круглый стержень или труба. После того как концы этой трубы надежно установлены на свое место и закреплены, выпилим ножовкой среднюю часть этой трубы, оставив только полуоси. После этого можно отвернусь полуоси от консолей и дополнительно обработать, например проточить на токарном станке торцы, отрезанные ножовкой, а потом их легко установить на место без опасения, что они окажутся не на одной прямой.
Для правильной установки подшипников на трубе выточим или подберем круглый стержень, который будет служить оправкой, а на него "посадим" подшипники. Установим подшипники на трубу и надежно за
крепив их, уберем оправку (рис. 66). Лучше всего крепить скользящие или шариковые подшипники 2 к трубе с помощью трехгранной пластины, наподобие того, как мы крепили окулярный узел (см. Ї 47). Для 150-миллиметрового телескопа достаточно пластины толщиной 4--5 мм. Еще раз подчеркнем, что жесткости такой пластины, если она закреплена по периметру, вполне достаточно. Подшипники крепятся к пластине с
а)
Рис. 66. Полуоси оси склонений.
а) Водило с винтом и возвратной пружиной связаны с трубой телескопа, б) Барабан поворачивается вместе с трубой телескопа, водило с винтом и возвратной пружиной связаны с консолью вилки. 1 -- неподвижные цапфы, 2--подшипники (а--скользящий, б--шариковый, 3 -- хомуты тормозов, 4 -- консоль вилки, 5 -- барабан тормозов (а -- барабан неподвижен). См. также рис. 67.
помощью чашеобразной обоймы, а пластина -- к трубе. До окончательной установки подшипники не снимаем с оправки.
Полярная ось в идеале должна иметь коническую форму с большим диаметром в районе траверсы, так как именно здесь действует максимальный изгибающий момент. Это вынуждает делать северный подшипник больших размеров. В некоторых случаях любители вместо шарикового подшипника берут точеное колесо, которое катится по двум роликам, установленным на расстоянии около 120º по дуге колеса. Очевидно, что оси этих роликов должны иметь минимальный прогиб. Для этого они должны быть достаточного диаметра и иметь минимальную длину. Вместо роликов можно взять два небольших шариковых подшипника. В этом случае диаметр оси будет равен внутреннему диаметру подшипника. Оси роликов имеют на концах фланцы, с помощью которых крепятся к станине монтировки. Жесткость осей роликов можно увеличить, если их опереть на два конца (см. рис. 87).
В тех случаях, когда у любителя есть возможность устанавливать телескоп стационарно если не постоянно, то хотя бы на длительное время, можно применить английскую монтировку, ярмо с подковой или без нее.
Проще всего в качестве полярной оси английской монтировки применить корпус оси автомобиля (см. рис. 51, б). Тогда на оси можно установить телескоп диаметром до 350--400 мм. Расширение корпуса оси для установки дифференциала используется в этим случае для установки подшипников оси склонений.
Можно изготовить ось и квадратного сечения с маленькими полуосями на концах для установки в подшипники. В этом случае ось может быть сделана из 15--20-миллиметровых досок. Подшипник оси склонений, расположенный рядом с трубой телескопа, крепится в середине на полярной оси, а дальний подшипник--на вершине пирамиды из четырех стержней. За пределами этой пирамиды на оси устанавливается противовес. В качестве полярной оси можно использовать толстостенную трубу (рис, 51,а).
Ось можно заменить ярмом, которое представляет собой раму из коробчатых стержней. Эти стержни могут быть из дерева, металлического проката, лучше всего из швеллера, труб диаметром 50--80 мм в зависимости от веса телескопа и длины ярма. Для 150-мил-лиметрового телескопа при длине ярма более 700-- 800 мм диаметр труб должен быть около 50 мм. Для 250-миллиметрового телескопа с ярмом длиной 1200 мм диаметр труб около 70--80 мм.
Для того чтобы сделать доступной полярную область, можно северный верхний подшипник полярной оси заменить на подкову. Среди металлолома можно
найти диски диаметром до 400--500 мм. Для 150-миллиметрового телескопа достаточно будет диска диаметром около 300 мм и толщиной 10--20 мм. В этом диске вырезаем автогеном или высверливаем с дальнейшей обработкой напильником отверстие овальной формы так, чтобы телескоп мог входить в это отверстие. Эта "подкова" устанавливается с помощью фланцев или приваривается к балкам ярма. Катится она по двум роликам, установленным под углом 120º.
Можно выгнуть балки ярма так, чтобы полуоси склонений оказались выше математической полярной оси. В этом случае можно обойтись без подковы, однако потребуется противовес, который обычно устанавливается на верхнем (северном) конце ярма. Можно для большей жесткости вместо балок применить фермы и противовес установить относительно полярной оси с противоположной стороны от телескопа. То, что оправа зеркала оказывается между стержнями фермы, не страшно, так как окуляр телескопа Ньютона расположен на верхнем конце трубы (рис. 51, г).
После наведения на объект телескоп должен быть закреплен в этом положении. Учитывая малое поле зрения при больших увеличениях, желательно снабдить телескоп механизмами тонких движений на обеих осях для плавного наведения на объект. Большинство простейших телескопов системы Ньютона, предназначенных для визуальных наблюдений, снабжаются только тормозами.
В простейшем случае тормозом может служить винт, упирающийся прямо в ось. Например, в азимутальной монтировке из тройника и водопроводных кранов, построенной в клубе им. Максутова, во втулках, несущих оси, сделаны отверстия, в которых нарезана резьба. В эти отверстия вворачиваются стопорные винты с маховиками. Конечно, это самое простое приспособление из всего, что можно придумать (см. рис. 60), и назвать его совершенным нельзя, прежде всего, потому, что от постоянного стопорения конец винта делает небольшие углубления в оси, если ее металл не слишком тверд, и постепенно ось перестает быть достаточно гладкой. Далее, часто требуется зажать ось не "намертво", а только слегка притормозить, чтобы телескоп можно было доворачивать с некоторым усилием. Кстати, чаще всего так и поступают, если телескоп не снабжен механизмами тонких движений. При этом телескоп движется не очень плавно. Гораздо лучше тормозить специальным хомутиком. Для этого на конце корпуса оси делается надрез, как
а)
Рис. 67. Простые тормоза.
показано на рис. 67, а, и к краям надреза приваривается или привинчивается пара ушек 1. В одном из ушек делается гладкое отверстие, а во втором -- отверстие с резьбой. Теперь, если в это отверстие ввернуть винт 2, то он может очень равномерно с помощью облегающего ось хомутика зажать или только подтормозить ее. Если же ось надо очень сильно зажать, то описанное приспособление сделает это гораздо лучше простого винта. На рис. 67, б показан еще один вариант тормозов.
Следующее усовершенствование позволит ввести в узел механизм тонких движений. Для этого надо изготовить отдельный хомутик с достаточно длинным рычагом. На рис. 68, а показан механизм тонких движений телескопа "Алькор", выпускаемого Новосибирским приборостроительным заводом им. В.И. Ленина. Здесь хомутик 1 облегает трубчатый корпус оси. Сто
порный винт 2 может затормозить хомутик. Теперь, вращая винт тонких движений 3, мы притягиваем к рычагу 1 гайку-поводок 5, укрепленную на трубе телескопа. Труба плавно и медленно движется к рычагу. Если необходимо обратное движение, то, выворачивая
Рис. 68. Конструкция механизма тонких движений.
1 -- рычаг-водило с хомутиком, охватывающим корпус оси, 2 -- винт хомутика тормоза, 3 -- винт тонких движений, 4 -- возвратная пружина, 5 -- поводок, связанный с трубой телескопа.
винт, мы даем возможность пружине 4 толкать гайку, а вместе с ней и трубу в обратную сторону.
Здесь важно сделать несколько замечаний. Во-первых, при затягивании стопорного винта он смещает рычаг и трубу телескопа. Поэтому после грубого наведения, когда мы пытаемся зажать ось, труба слегка наклоняется и объект уходит из центра поля зрения. Чтобы эти деформации рычага сделать меньше, нужно сильно увеличить сечение рычага в его начале, чтобы деформировалось только ушко хомутика. Именно так и поступили при доработке опытной партии телескопов "Алькор". Другой путь заключается в том, чтобы перенести разрез и стопорный винт на другую от рычага сторону хомутика, как показано на рис. 68, б. В этом случае при затягивании рычага вообще не происходит смещения объекта в поле зрения.
Во-вторых, для того чтобы при зажиме хомутика не прилагать слишком больших усилий, надо сделать надпил на кольце хомутика на расстоянии примерно 120º от короткого ушка хомутика или два надпила на расстоянии 120º от ушек хомутика в конструкции, когда рычаг находится на противоположной стороне. Кроме того, важно, чтобы зазор между проточенной частью корпуса и внутренней поверхностью хомутика был минимальным.
В-третьих, для телескопов порядка 200--250 мм надо, чтобы хомутик тормоза облегал уже не корпус оси, а специальный барабан, жестко насаженный на корпус (рис. 66, а, деталь 5). Этот барабан должен иметь больший, чем у корпуса, диаметр. В этом случае телескоп можно будет хорошо тормозить, не прилагая больших усилий.
Механизм тонких движений (рис. 68, а) превосходно работает с визуальными телескопами, когда небольшие неточности в движении совершенно не страшны. Иное дело фотографические работы с длительными экспозициями и большими фокусными расстояниями. До тех пор, пока фокусные расстояния не превышают 200--250 мм, можно пользоваться и только что описанным механизмом, но когда фокусное расстояние фотографического телескопа достигает 500--1000 мм, этот механизм становится слишком грубым. При попытках повернуть винт тонких движений крутящий момент из-за трения разлагается на две реактивные силы, одна из которых действует на трубу в направлении, перпендикулярном тому движению, которое мы хотим вызвать. В результате ведущая звезда (см. ниже) прежде, чем вернуться на перекрестие, сначала делает движение в перпендикулярном направлении, а это приводит к размазыванию изображений звезд на фотопленке.
Поэтому механизм тонких движений следует усовершенствовать следующим образом. Как показано на рис. 68, б, на конце рычага теперь вворачивается микрометренный винт 3, а на противоположной стенке укреплен патрон с возвратной пружиной 4. В этом механизме поводок 5, жестко скрепленный с трубой телескопа, оказывается зажатым между винтом и патроном с возвратной пружиной. На поводок действует только перпендикулярная к его рабочей поверхности сила, и труба телескопа движется строго в одной плоскости. Звезда перемещается вдоль прямой линии.
Недостаток винта с возвратной пружиной в том, что скорость рычага неравномерна. Она максимальна в среднем положении и минимальна в крайних. Это мало сказывается, если работа ведется вручную, но становится совершенно недопустимым, если винт вращается мотором и ведет полярную ось за суточным вращением небесной сферы. Очевидно, что скорость движения телескопа будет непостоянной и механизм потеряет смысл. Поэтому рычаг с винтом практически никогда не употреблялся в качестве часового механизма для слежения за небом. Однако в 1978 г. Андре Гамон (Франция) предложил [18] установить на винте кулачок специальной формы, который позволяет компенсировать неравномерность хода рычага (рис. 69, а). Рычаг 1 хомутика, охватывающего полярную ось 2, упирается своим концом в кулачок 3, жестко связанный с гайкой, которая движется вдоль винта 4. Этот кулачок, равно как и конец рычага, имеет форму специальной кривой, которую можно построить графически.
Допустим, что шаг винта составляет 1 мм и винт делает один оборот в минуту. Солнечные сутки содержат 1440 минут, звездные 1436 минут; значит, для того чтобы угловая скорость рычага составляла 1 об/сут, нужно окружность длиной 1440 мм или 1436 мм разделить на 2p = 6,28. В этом случае длина рычага составит 229,2 мм для солнечных и 228,6 мм для звездных суток. На практике можно взять длину 229 мм и во время работы время от времени вводить небольшие поправки в суточный ход телескопа.
Теперь на листе хорошей бумаги вычертим схему механизма (рис. 69, б) в масштабе 1:1. Для того проведем прямую х0R, которая обозначает ось винта, и дугу окружности с центром в точке О, расположенной на расстоянии 229 мм от прямой х0R. Опустим перпендикуляр из точки О на прямую х0R. Точку пересечения перпендикуляра и прямой обозначим х1. На дуге окружности отложим от точки х1 в обе стороны дуги по 60º. Концы дуг обозначим J и Н. Деля дуги на четвертые и восьмые части, получим точки а, b, с, d и 1, 2, 3, 4. Каждая дуга составит 7º,5, или 1/48 полной окружности. Так как длина окружности 1440 мм, то каждый отрезок будет иметь длину 30 мм. На прямой х0R отметим точки х0, А, В, С, х1 через 30 мм.
Рис. 69. Механизм тонких движений и часового привода полярной оси А. Гамона.
1 -- водило, 2 -- полярная ось, 3 -- гайка с кулачком специальной формы, 4 -- винт часового привода, 5 -- подшипник винта, 6 -- упорный конус винта тонких движений, 7 -- винт тонких движений, 8 -- возвратная пружина, 9 -- шестерня на выходном валу редуктора синхронного электродвигателя, 10 -- шестерня винта часового привода.
На куске плексигласа толщиной 0,5--1 мм размером около 100 Х 200 мм проведем острой иглой прямую линию и на ней отметим точку, которую назовем F (рис. 69, в). Перевернем лист плексигласа и наложим плексиглас на схему "б", чтобы линия на плексигласе точно совпала с линией х0R на чертеже, а точка F с точкой х0. Тщательно отметим точку х1. Осторожно переместим плексиглас вправо, чтобы точка F совпала с точкой А, следя за тем чтобы линия на плексигласе в точности совпадала с линией х0R. Отметим на плексигласе точку а крестиком. Переместим точку F в точку В и отметим на плексигласе точку b. Последовательно перемещая плексиглас до совмещения точки F с точками С и х1, получим точки с и d. На плексигласе получилась цепочка точек, идущая вниз от прямой линии. Если теперь тщательно соединить эти точки плавной кривой, мы получим форму рабочей поверхности кулачка при работе винта на участке х0х1. Вырежем получившуюся фигуру и тщательно обработаем ее по намеченной линии надфилем. Прикрепим двумя винтами плексиглас к куску латуни, стали или твердого алюминия и обработаем край металла, используя плексиглас в качестве шаблона.
Для равномерной работы механизма надо подобным образом обработать и конец рычага. Врежем второй лист тонкого плексигласа, размером 100 Х 400 мм (рис. 69, г). Прочертим вдоль тонкую линию и вблизи ее конца просверлим крошечное отверстие о. С помощью иглы совместим эту дырочку с точкой О на чертеже, следя за тем, чтобы не было люфта и плексиглас не болтался на оси. Далее совместим линию на плексигласе с линией Ох1 и отметим точку х1; повернем плексиглас, пока линия на нем не совпадет с точкой 1, и отметим в этом положении точку С. Затем последовательно переводим линию на плексигласе в точки 2, 3, 4 и отмечаем соответствующие точки. Соединяем эти точки плавной кривой, которая представляет собой рабочую кривую рычага. При движении гайки слева направо сначала работает кривая на рычаге, а кулачок работает одной точкой (х1), а после перехода точки x1 работает кривая кулачка, а рычаг прикасается к ней одной точкой, поэтому форма кулачка и рычага вне вычерченных нами кривых не имеет большого значения. При переводе кривой рычага с шаблона в металл не забудем, что точка О -- центр полярной оси телескопа.
Надо сказать, что сложность этих построений на самом деле кажущаяся. На практике все это получается довольно легко.
Дуга от точки 4 до точки d составляет 60º. Это значит, что, установив механизм на начало, можно вести наблюдение непрерывно на протяжении 4 часов.
Рассмотрим некоторые другие элементы механизма Гамона. Как бы точно ни была выполнена работа по перенесению рабочих кривых, как бы точно ни работал электродвигатель механизма, все равно придется время от времени в работу механизма вносить поправки. Это происходит из-за незначительных прогибов инструмента, из-за так называемой атмосферной рефракции, в результате которой луч света, проходя сквозь атмосферу, несколько искривляются, и тем больше, чем ниже над горизонтом светило. Это приводит к тому что звезда видна несколько выше, чем на самом деле. В результате по мере движения звезды от горизонта к меридиану, где рефракция минимальна, скорость этого движения меняется в небольших пределах; наконец, на неравномерности хода сказывается и нестабильная частота в сети переменного тока. Исходя из этого, надо предусмотреть возможность вносить поправки в работу механизма от руки по желанию наблюдателя. В механизме Гамона это достигается следующим образом. Главный винт 4 (рис. 69, а) установлен во втулке 5 справа так, что он может свободно перемещаться вдоль оси. Второй его подшипник представляет собой так называемую опору на шпиле. В коническую ямку на конце винта упирается конический конец второго винта 7, которым управляют от руки. При вворачивании этого второго винта он толкает главный винт вправо, при выворачивании возвратная пружина 2 через рычаг возвращает винт с гайкой влево. Для того чтобы при этом не перемещать электродвигатель, на его валу установлена очень широкая шестерня 9, сцепленная с шестерней 10 на главном винте.
После того как полностью будет выбран ход главного винта, нужно отвести электродвигатель с редуктором в сторону и, быстро вращая винт за специальную ручку на его шестерне в обратную сторону,
вернуть гайку в исходное положение. Можно также предусмотреть вместо этого размыкающуюся гайку, которая состоит из двух половинок одной гайки, разрезанной вдоль оси симметрий. Эта гайка в нужный момент с помощью несложного приспособления может быть разомкнута, а после установки в исходное положение снова сомкнута.
Если принять во внимание, что обычно для устройства часового механизма требуется изготовление червячной пары, состоящей из червячного винта, который ведет точно изготовленную червячную шестерню, то станет ясно, что механизм Гамона в любительских условиях представляет собой довольно изящный выход из положения.
В качестве основного элемента часового привода обычно применяется червячная пара (рис. 70), которая представляет собой винт 1, зацепленный с шестерней 2, имеющей зубья специальной формы. Ориентировочно диаметр червячной шестерни должен быть равен 1--1,5 диаметра главного зеркала.
В качестве привода лучше всего использовать синхронные реактивные двигатели типа СД-2, СД-10 и т. п., которые обычно применяются в различных самописцах и программных устройствах. Эти моторы питаются от сети переменного тока напряжением 220 В, потребляют мощность 7--15 Вт и имеют скорость вращения на выходном валу встроенного редуктора 2 об/мин. В дальнейшем мы будем иметь в виду подобный двигатель.
Если число зубьев шестерни 2 составляет 360, а винт вращается со скоростью 1 оборот в 4 минуты, то шестерня сделает полный оборот за 1440 минут (86400 с), или за одни солнечные сутки. Это хорошо для солнечного телескопа, однако телескоп, предназначенный для наблюдения звезд, должен делать полный оборот за звездные сутки, которые примерно на 4 минуты короче солнечных и равны 86164,09 с. Поэтому на шестерне надо нарезать 359 зубьев, чтобы телескоп, не отставая, следил за звездой.
Эта небольшая разница мало дает о себе знать при визуальных наблюдениях, когда даже при большом увеличении приходится поправлять положение телескопа раз в одну-две минуты, но становится слишком неприятной при фотографических наблюдениях с длительными экспозициями на астрографе с фокусным расстоянием 1 м и более. В этом случае поправки приходится делать каждые 3--4 с, что превращает работу в практически ручное гидирование.
Рис. 70. Часовой привод 150-миллиметрового телескопа автора с механизмом тонких движений.
1 -- червячный винт, 2-- червячная шестерня, 3 -- полярная ось, 4 -- шестерня червячного винта, 5 -- шестерня выходного вала редуктора синхронного электродвигателя, 6 -- электродвигатель с вмонтированным редуктором, 7 -- хомут, притормаживающий корпус двигателя, 8--ручка механизма тонких движений.
Здесь мы приводим таблицу из статьи Эдварда Фейджина [17], где рассчитаны различные комбинации шестерен и приведены ошибки соответствующих механизмов. Эта таблица несколько изменена в предположении, что двигатель делает не 1 об/мин, как у Фейджина, а 2 об/мин, как это имеет место в нашем случае (табл. 12). В первой колонке приведено передаточное число между червячной шестеренкой и винтом. Если винт однозаходный, то это число равно числу зубьев на шестерне. Во второй и третьей колонках приведены относительные числа зубьев шестерни на валу винта и валу двигателя соответственно. Например, при числе зубьев однозаходной шестерни 169 передаточное отношение между винтом и валом двигателя составит 17/1. Значит, на винте придется поста
вить, скажем, шестерню со 170 зубьями, а на валу двигателя--с 10; умножив эти числа, например, на 1,4 мы получим для шестерни винта 238, а для шестерни вала -- 14 зубьев.
В тех случаях, когда число зубьев на одной из цилиндрических шестерен велико, можно добавить еще одну пару шестерен с передаточным отношением
Т а б л и ц а 12
|
Число зубьев червячной шестерни |
Относительное число зубьев |
Ошибка за звездные сутки, с |
|
|
на валу червячного винта |
на валу двигателя |
||
|
147 |
254 |
13 |
0,53 |
|
169 |
17 |
1 |
25,91 |
|
200 |
158 |
11 |
17,73 |
|
207 |
111 |
8 |
-0,34 |
|
221 |
13 |
1 |
25,91 |
|
252 |
57 |
5 |
19,91 |
|
254 |
147 |
13 |
0,53 |
|
255 |
214 |
19 |
-0,93 |
|
266 |
54 |
5 |
19,91 |
|
271 |
53 |
5 |
13,91 |
|
321 |
170 |
19 |
-0,93 |
|
333 |
69 |
8 |
-0,34 |
|
338 |
17 |
2 |
25,91 |
|
359 |
8 |
1 |
-4,09 |
|
378 |
38 |
5 |
19,91 |
|
381 |
98 |
13 |
0,53 |
|
399 |
36 |
5 |
19,91 |
|
414 |
111 |
16 |
--0,34 |
|
438 |
400 |
61 |
-0,16 |
|
476 |
356 |
59 |
--0,02 |
|
508 |
147 |
26 |
0,53 |
|
510 |
107 |
19 |
-0,93 |
|
527 |
109 |
20 |
0,41 |
2/1, 4/1 или каким-нибудь другим, удобным для любителя.
Чтобы проверить правильность расчета, нужно умножить передаточное число червячной пары на отношение между числами зубьев шестерни винта 4 и шестерни вала 5 и умножить на время одного оборота двигателя (0,5 мин). Например, для однозаходной шестерни с числом зубьев 476 отношение числа зубьев шестерен винта и вала составит 356/59. Так как один оборот вал электродвигателя делает за 0,5 минуты, то произведение будет равно 476 Х 356/59 Х 0,5 = 1436,0677 мин = 86 164,07 с,
т. е., механизм спешит на 0,02 с.
Число зубьев 356 на шестерне вала винта велико, поэтому можно добавить еще одну пару шестерен. Эта пара может иметь отношение 2/1, тогда число зубьев на шестерне винта уменьшится до 178. Можно дополнительную пару взять с передаточным числом 4/1, тогда число зубьев на шестерне винта сократится до 89. Мы дали столь подробное описание редуктора между валом электродвигателя и полярной осью потому, что любитель чаще всего вынужден подбирать шестерни из старых механизмов, и потому из большого числа примеров ему легче найти подходящий для него вариант.
Червячная пара--одно из самых уязвимых мест с точки зрения жесткости монтировки в целом. Диаметр червячного колеса обычно небольшой -- он равен чаще всего диаметру зеркала телескопа или на 10--25% превышает его. Впрочем, в профессиональных монтировках для любителей диаметр шестерен может быть меньше диаметра зеркала в 1,5--2 раза. Мы, однако, постараемся придерживаться первого варианта, особенно если телескоп предназначен для фотографирования в главном фокусе.
Малый радиус определяет плечо рычага, который сопротивляется крутящему моменту на полярной оси. Даже если телескоп очень хорошо уравновешен относительно полярной оси, случайные нагрузки от ветра, прикосновения и т. п. создают значительные усилия в месте зацепления червяка с шестерней и в подшипниках червяка. Например, если длина трубы 150-миллиметрового телескопа составляет 1200 мм, а сама она прикреплена к оси склонений в середине, то, приложив усилие на конце трубы в 1 кг, мы получим на винте усилие в 8 кг, если диаметр шестерни 150 мм. Поэтому узел червячного винта должен быть сконструирован и изготовлен с большой тщательностью.
Один из возможных вариантов червячного механизма следующий. Винт установлен в неподвижных
подшипниках, которые удерживаются неподвижными опорами. Эти опоры должны обеспечивать высокую жесткость в направлении оси винта. Поэтому лучше всего их заключить в кожух из 4-миллиметровой стали. Этот кожух будет защищать винт от пыли и грязи и не даст возможности опорам-подшипникам наклоняться в направлении оси винта, т. е. в самом опасном направлении. Разумеется, кожух должен иметь вырез для подведения шестерни к червяку.
Так как винт установлен на строго определенном расстоянии от шестерни и так как сама шестерня может немного "бить" на полярной оси в силу того, что слегка эксцентрично выточена или насажена на ось, винт и шестерню нужно пришлифовать друг к другу. Для этого установим какой-нибудь двигатель, который придаст вращение винту со скоростью 5--10 об/с и подмажем карборунда или другого абразива (например, М40) с, керосином. Во время пришлифовки также снимутся мелкие неровности на винте и шестерне, оставшиеся после нарезания зубцов и винта. Конечно, таким образом можно устранить только очень небольшое "биение". Шестерня с грубым "биением" для этой конструкции непригодна. После пришлифования в течение 10--20 минут тщательно промоем с мылом и винты шестерню, протрем, высушим и смажем их маслом.
Описанная шестерня может вращаться только от винта и потому ее обычная скорость слишком мала для грубого наведения. Можно поступить так, как это в последнее время стали делать для небольших и умеренных профессиональных телескопов (рис. 71, а): последняя пара шестерен между винтом и валом двигателя размыкается, двигатель отводится, а с противоположной стороны шестерни 3 винта подводится другой электродвигатель 2 с шестерней на валу, но с большим числом оборотов. Нужно, чтобы после этого винт червячной пары 3 получил вращение со скоростью примерно 5 об/с. Тогда телескоп будет поворачиваться вокруг полярной оси со скоростью примерно 5--10º/с в зависимости от числа зубьев червячной шестерни. Поворот на 180º будет совершен за 20--40 с. После грубого наведения мотор 2 грубого наведения отводится от шестерни 3 и одновременно замыкается редуктор часового двигателя. Очевидно, что мотор грубого наведения может быть асинхронным, но обязательно реверсивным (меняющим направление вращения по желанию наблюдателя). Еще проще двигатели установить неподвижно, а перебрасывать "паразитную" шестерню. В старых монтировках фирмы Карл Цейс существует механизм замыкания червячной шестерни и поляр-
Рис. 71. Конструкции механизмов часового привода.
а) Экваториальная монтировка "со скручиваемой полярной осью". 1-- синхронный электродвигатель часового привода, 2 -- электродвигатель грубого наведения, 3-- шестерня червячного винта, 4 -- червячная шестерня, 5 -- неподвижная часть полярной оси, 6 -- шарикоподшипник, 7 -- подвижная полярная ось, 8 -- ось склонений, 9 -- корпус основания станины. б) Экваториальная монтировка, 1 -- хомутик тормоза, 2 -- полярная ось, 3 -- червячная шестерня, 4 -- винт тормоза, 5--червячный винт. в) Червячная пара с замыкаемым винтом. 1-- червячный винт, 2--подшипники винта, 3--корпус винта, 4--ось, на которой отводится винт, 5 -- червячная шестерня, 6 -- пружина
оси (рис. 71,б). В свободном положении шестерня 3, замкнутая на винт 5, остается неподвижной иди движется с суточной скоростью а полярная ось 2 свободно, но без люфтов в ней поворачивается. Чтобы замкнуть ось и шестерню, на специальные приливы на шестерне и на оси, проточенные до совершенно одинаковых диаметров надевается хомутик 1, который в незамкнутом положении вращается на этих приливах. Если же с помощью зажимного винта 4 хомутик затянуть, то он одинаково зажмет и шестерню и полярную ось, после чего они вращаются вместе.
Открепив зажимной винт, мы сможем свободно поворачивать телескоп вокруг полярной оси, пока шестерня движется, приводимая во вращение часовым механизмом двигателя. Наводя телескоп на объект, мы снова затягиваем винтом хомутик, и теперь полярная ось движется вместе с шестерней.
В последние годы фирма Карл Цейс выпускает любительские телескопы, снабженные червячными парами с замыкаемым винтом. Приведем в качестве примера одну из новосибирских конструкций подобного механизма (рис. 71, в). Здесь винт 1 с подшипниками 2 вставлен в корпус 3, который на специальной оси 4 может, несколько поворачиваться так, что винт выходит из зацепления с шестерней 5. Специальная пружина 6 поджимает корпус, и винт постоянно находится в зацеплении, даже если шестерня имеет достаточно большое "биение". Для грубого наведения надо оттянуть винт и, когда шестерня освободится, навести телескоп. После этого винт подводится к шестерне.
При этом не всегда нарезка винта попадает точно в углубление между зубьями шестерни. Это приводит к тому, что иногда во время замыкания винта телескоп может сместиться в ту или иную сторону на 0,5--1º в зависимости от числа зубьев на червячной шестерне. Так как большинство любительских телескопов имеют искатели, то это не страшно. Смещение объекта в поле зрения искателя на 1º легко поправить и привести объект на перекрестие, немного повернув червячный винт. Особое внимание надо уделить редуктору между двигателем и червячным винтом. Здесь ошибка в нарезке зубьев шестерен или не концентричная посадка шестерен на оси приведет к периодической ошибке, и ход двигателя придется ежеминутно корректировать.
Поскольку часовой механизм приводится во вращение синхронным электродвигателем со строго постоянной скоростью, важно ввести приспособление, которое позволило бы вносить небольшие изменения, поправки.
Проще всего было бы установить на оси червяка механизм так называемого конического дифференциала: системы шестерен, позволяющие при неподвижном корпусе редуктора передавать вращение без изменения скорости, а при вращении корпуса увеличивать или уменьшать скорость на выходе механизма. Мы не можем позволить себе подробное описание этого механизма и его изготовление, так как его проще подобрать и на месте решить, как его применить в конкретном случае. Одна из разновидностей дифференциала -- плоский дифференциал, или планетарная система. Эта система служит редуктором с огромным передаточным числом; вращением корпуса или одного из сателлитов (мелких шестерен, обегающих две большие шестерни) можно увеличивать или уменьшать скорость вращения на выходе планетарной системы. Планетарные системы с небольшим передаточным числом применяются в электродрелях.
Можно выполнить червячную пару по схеме червячного дифференциала (рис. 72). В этом случае винт 1 может перемещаться в небольших пределах вдоль собственной оси. Тогда, не останавливая часового привода, можно несколько "подать" червяк в ту или другую сторону, а вместе с этим и слегка повернуть шестерню. Аналогичное устройство применено в механизме А. Гамона (см. Ї 55).
Удобное решение было найдено автором книги для одного из своих телескопов (см. рис. 70). Здесь винт 1 неподвижно закреплен на оси. Дополнительное вращение получается за счет поворота корпуса электродвигателя 6 вместе со встроенным редуктором. Поворачивая двигатель с помощью ручки 8 на некоторый угол, мы увеличиваем или уменьшаем скорость вращения червячного винта. Здесь корпус двигателя установлен в хомуте 7, который притормаживает корпус, чтобы включенный двигатель не начал вращаться в обратную сторону. Прижим регулируется так, чтобы двигатель во время работы оставался неподвижным, но его было бы нетрудно повернуть рукой.
Наконец, возможно немеханическое решение задачи. Если синхронный двигатель питается не от сети,
Рис. 72. Червячный дифференциал.
1- червячный винт, 2 -- электродвигатель, 3 -- винт тонких движений, 4--возвратная пружина.
а от генератора частоты, то, меняя генерируемую частоту, можно изменить и скорость вращения двигателя. Для простоты можно построить генератор всего с двумя частотами: 50 и 100 Гц. На первой частоте двигатель работает в обычном режиме, а на второй частоте, когда надо увеличить скорость. Если же скорость надо уменьшить, двигатель ненадолго выключается кнопкой, расположенной на небольшом переносном пульте, который наблюдатель во время наблюдения держит в руках. С этого же пульта подается команда и для увеличения скорости. Это решение интересно тем, что значительно упрощается механическая часть, так как отпадает нужда в различных ручках и тягах. Кроме того, работать с таким пультом значительно удобнее, чем с традиционными механическими конструкциями.
Если телескоп установлен стационарно, имеет смысл снабдить его координатными кругами на обеих осях. С помощью кругов значительно проще находить объекты особенно когда они слабы и не могут быть видны в искатель. Круг 1 (рис. 73) устанавливается жестко на оси 2, а на корпусе 3 оси устанавливается указатель 4. Можно сделать, наоборот: на оси установить указатель, а на
Рис. 73. Крепление координатного круга к оси.
1 -- координатный круг, 2 -- ось, 3 -- корпус оси, 4- указатель.
корпусе--круг. В каждом конкретном случае можно эту задачу решить по-разному, помня главным образом о том, чтобы ночью при слабом освещении отсчет на круге можно было видеть с максимальным удобством.
Круг склонений должен быть разделен от 0 до 90º и от 0 до --90º. Когда телескоп направлен на полюс мира, указатель должен показывать 90º.Надо не забывать при этом, что указатель или сам круг должны в небольших пределах перемещаться и закрепляться, чтобы его можно было установить совершенно точно. Также нужно помнить, что во время юстировки главного зеркала оптическая ось телескопа несколько смещается в пространстве предметов; после юстировки указатель надо слегка переместить. Впрочем, эти перемещения составляют не более нескольких долей градуса.
Круг часовых углов должен быть установлен непосредственно на полярной оси, чтобы он участвовал в движении как во время грубой так и во время тонкой наводки телескопа.
Круг часовых углов делится на 24 часа, и мелкие его деления обычно соответствуют 5 минутам времени. "Нуль" устанавливается так, чтобы указатель останавливался напротив него в положении, когда телескоп направлен на меридиан. При повороте телескопа на 15º к западу указатель должен показывать 1h, при повороте еще на 15º--2h и т. д.
Как разместить круги? Круг склонений в простейшем случае можно снабдить полоской миллиметровки, наклеенной на его обод. Полоску возьмем длиной 360 мм и размесим ее так что каждому градусу будет соответствовать 1 мм. На конце поставим "0", через 90 мм -- "900",еще через 90 мм - "0" и наконец-- "--900". Для того чтобы длина окружности в точности равнялась 360 мм, надо, чтобы диаметр круга был равен 114,6 мм, но если учесть толщину бумаги и слой
Рис. 74. Разметка координатных кругов.
а) С помощью большого транспортира и линейки, б) с помощью циркуля и линейки, в) разметка на сверлильном станке.
клея, диаметр основы круга надо уменьшить на 0,3 мм и сделать равным 114,3 мм. Разумеется, что если диаметр круга увеличить в два раза, до 229,2 мм, то точность отсчета возрастет в два раза. Можно, как предлагал Р. Портер [14], нанести штрихи на круг из мягкого алюминия вручную (рис. 74,а, б).
Если воспользоваться сверлильным станком, как это советует Уилфред Шихен [19], можно изготовить круги, которые будут мало отличаться от фабричных (рис. 74, в). Технология их изготовления такова: на листе алюминия или другого металла толщиной около 1 мм вырезаем большой круг. Его диаметр выбираем с таким расчетом, чтобы он не задевал за стойку станка, когда установлен так, как показано на рисунке. С помощью большого школьного транспортира размечаем на краю круга градусы или минуты и часы, если это круг часовых углов. Двумя-тремя винтами крепим этот круг к выточенному на токарном станке координатному кругу телескопа так, чтобы оба круга оказались строго концентричными. Теперь с помощью винта, пропущенного через центр круга, прикрепляем его к достаточно прочной металлической пластине, чтобы оба круга могли свободно, но без люфтов вращаться вокруг этого винта. Плиту крепим к станине сверлильного станка с помощью струбцины или другим способом. На станке возле края большого вспомогательного круга делаем штрих. Установив напротив этого штриха "нуль" на краю вспомогательного круга, мы подготовились к нарезанию штрихов на круге телескопа. Теперь вставим в патрон штырь со специально заточенным резцом. Шпиндель станка надо надежно закрепить (заклинить). Действуя ручкой сверлильного станка, мы можем опускать и поднимать резец строго вертикально.
Подводим резец к краю координатного круга и примеряем его. Если нужно, устанавливаем все приспособление относительно резца точнее. Наконец, проверив положение "нуля" на вспомогательном круге, относительно штриха на станине, проводим первый штрих; его длина должна быть около 10 мм. После этого поворачиваем вспомогательный круг на 1º и проводим следующий штрих длиной около 7 мм. Длину 7 мм имеют "рядовые" штрихи, а 10 мм -- каждый 5-й и 10-й).
После того как штрихи будут нарезаны полностью, снимаем координатный круг с вспомогательного и наносим цифры. Их можно написать нитроэмалью, но нужно помнить, что для того чтобы краска держалась хорошо, ее надо наносить на металл, нагретый до 80--100º. Так как писать кистью на нагретой поверхности сложно, можно написать на металле при комнатной температуре, а потом сразу же нагреть. Лучше, однако, отдать круги граверу. (Они работают, например, в отделах или магазинах сувениров.)
Рис. 75. Диоптр.
Поле зрения телескопа относительно небольшое. Даже при минимальном увеличении оно обычно не превышает 1--1,5º. Поэтому довольно трудно навести телескоп на объект, когда этот объект неяркий и ничем не выделяется среди других. Особенно тяжело искать слабые туманности и скопления, отдельные (например, переменные) звезды или слабые планеты: Уран, Нептун и астероиды. Чтобы облегчить задачу, телескопы снабжаются искателями.
В простейшем варианте это может быть диоптр. На рис. 75 видно, что визирная линия, соединяющая центры кружков диоптра, может несколько наклоняться относительно оси телескопа. Это нужно потому, что при юстировке телескопа его ось может немного смещаться. Поэтому после каждой юстировки необходимо проверить точность установки диоптра по достаточно удаленным предметам.
Лучше, однако, сделать искатель в виде небольшой зрительной трубы. В качестве объектива лучше употребить ахроматический объектив от зрительной трубы, теодолита или бинокля. Впрочем, можно обойтись сравнительно короткофокусной очковой линзой. Ее оптическая сила должна быть в пределах 3--5 диоптрии. Если вы уже знакомы с изготовлением линз, лучше эту линзу изготовить самостоятельно. Она должна быть небольшого диаметра, примерно 20--30 мм и быть плосковыпуклой, а не выпукло-вогнутой, как очковые стекла, так как в этом случае ее аберрации будут сильно портить изображения.
Во время шлифовки линзы на станке можно проверять ее фокусное расстояние. Для этого после очередного сеанса шлифовки смачиваем линзу водой и определяем ее фокусное расстояние по Солнцу. Для этого надо не забыть чтобы оправка, на которую наклеена линза, имела диаметр на 25--30% меньше диаметра линзы, для того чтобы края последней могли строить изображение Солнца.
В остальном искатель напоминает малый телескоп-рефрактор. Его увеличение должно быть близко к равнозрачковому и не превышать диаметра объектива в миллиметрах, деленного на 4--6. На трубку нужно надеть и приклеить два металлических кольца, в которые будут упираться юстировочные винты.
Назначение станины -- удерживать полярную ось телескопа в строго определенном положении без медленных смещений и без вибраций. Для того чтобы предотвратить вибрации, станина или колонна телескопа должна быть достаточно жесткой.
В целом телескоп можно рассматривать как консоль сложной формы с "защемлением" в плоскости опирания станины на фундамент. При равномерно распределенной нагрузке (например, при порывах ветра) изгибающий момент возрастает сверху вниз пропорционально квадрату длины этой консоли (см. рис. 44).
Поэтому жесткость всех узлов монтировки должна возрастать пропорционально квадрату высоты сверху вниз. Это вынуждает увеличивать сечения деталей монтировки при переходе от трубы телескопа к оси склонений, к полярной оси, к корпусу полярной оси, к колонне и опорам, или к станине, если телескоп не имеет колонны.
В тех случаях, когда телескоп снабжен приспособлением для регулирования наклона полярной оси в больших пределах, хорошо снабдить его небольшим опорным стержнем (рис. 50, а), который вместе с корпусом полярной оси и колонны образует треугольник -- фигуру, значительно более жесткую, чем просто угол "колонна -- корпус оси". Снабдив монтировку этим стержнем, мы добьемся большой жесткости при перемещении оси в плоскости меридиана. Однако жесткость в перпендикулярном направлении, например при порывах западного или восточного ветра, не возрастет. Единственный способ получить достаточную жесткость в этом направлении -- резко увеличить толщи
ну пластин, связывающих корпус полярной оси и колонны. Для 110-миллиметрового телескопа с фокусным расстоянием 1000--1200 мм толщина этих пластин, отлитых из алюминия, может быть около 12--15 мм, для телескопа диаметром 150 мм, особенно если это фотографический телескоп, толщина пластин должна быть
Рис. 76. Основание монтировки телескопа из стальных труб.
увеличена до 30 мм. Важно также отметить, что жесткость узла возрастает, если в одинаковой мере уменьшится длина этих пластин.
Диаметр стальной трубы колонны также имеет большое значение. Для визуального 110-миллиметрового рефлектора он должен быть около 60--70 мм. Для фотографического рефлектора диаметром 150 мм диаметр стальной трубы -- колонны должен быть увеличен до 120 мм, В обоих случаях имеется ввиду, что высота колонны составляет примерно 700-- 800 мм. При увеличении высоты колонны надо увеличить и ее диаметр приблизительно пропорционально корню квадратному из увеличения высоты. Например, при увеличении высоты колонны в 2 раза, ее диаметр нужно увеличить в 1,4 раза.
Особо опасный узел -- место крепления ног колонны к собственно колонне. Ноги обычно представляют собой консоли с большим сечением возле колонны. Здесь надо помнить как об изгибе при простом наклоне колонны, так и при кручении колонны вокруг ее оси. Эта деформация возникает, например, в тех случаях, когда сила (прикосновение наблюдателя или порыв ветра) действует горизонтально на трубу телескопа, направленную под небольшим углом к горизонту.
Однако для телескопов более 150 мм в диаметре желательно исключить колонну, установив корпус полярной оси прямо на основание (рис. 76). Это полезно для увеличения жесткости, а также и потому, что окулярный узел, расположенный на верхнем конце сравнительно длинной трубы, становится трудно доступным, когда телескоп направлен в зенит.
Примечательно, что в этом случае регулировка наклона полярной оси может быть выполнена в небольших пределах (обычно несколько градусов). Устройство для наклона представляет собой один опорный винт, который располагается на южном конце станины. Для того чтобы установить полярную ось в плоскости меридиана, надо, чтобы станина могла в небольших пределах поворачиваться по азимуту. Для этого две северные опоры делают в виде двух роликов, оси вращения которых пересекаются на опорном южном винте. Между этими роликами на станине помещается небольшая консоль длиной 30--50 мм. На фундаменте телескопа устанавливаются два винта, между которыми и размещается эта консоль. Вращая винты в ту или иную сторону, мы поворачиваем всю станину с полярной осью к западу или востоку.
О способах точной установки полярной оси можно прочесть в инструкциях для астрономических наблюдений.
Последнее звено между телескопом и грунтом, на котором он стоит,-- фундамент. Для небольшого телескопа на колонне достаточно забетонировать или выложить кирпичом небольшую площадку, на которую во время наблюдений ставится телескоп.
Можно и небольшой телескоп сделать без колонны, установив его на станине, которая на время наблюдений помещается на бетонный или кирпичный столб, заменяющий колонну. Особенно это полезно для переносных телескопов, так как вес уменьшается.
Наконец, для больших, особенно фотографических телескопов фундамент совершенно необходим. Диаметр фундамента зависит прежде всего от высоты его вершины над уровнем земли. Не вдаваясь в подробности, приведем таблицу с примерными значениями диаметра круглого в сечении фундамента (в метрах) в зависимости от его высоты и требований к жесткости телескопа в целом, которая в свою очередь зависит от действующего диаметра зеркала и назначения телескопа (табл. 13).
Лучший материал для фундамента -- бетон или кирпичная кладка. Для невысоких фундаментов с малыми диаметрами можно с успехом применять круглые асбоцементные или стальные трубы. После установки трубы на место ее нужно заполнить щебнем или
кирпичным боем, заливая через каждые 25--30 см цементно-песчаный раствор.
Глубина закладки фундамента зависит от состава и состояния грунта. На скальных грунтах фундамент можно устанавливать прямо на поверхности, сняв только слой дерна. На песчаных, супесчаных, суглинистых
Т а б л и ц а 13
|
Высота фундамента , м |
Фотографирование с окулярным увеличением |
Визуальные наблюдения |
Фотографирование в ньютоновском фокусе |
|||
|
150 мм |
300 мм |
150 мм |
300 мм |
150 мм |
300 мм |
|
|
1 |
0,2 |
0,25 |
0,16 |
0,20 |
0,12 |
0,15 |
|
2 |
0,4 |
0,50 |
0,32 |
0,40 |
0,25 |
0,30 |
|
3 |
0,60 |
0,75 |
0,50 |
0,60 |
0,36 |
0,45 |
|
4 |
0,80 |
1,00 |
0,64 |
0.80 |
0,50 |
0,60 |
|
6 |
1,20 |
1,50 |
0,96 |
1,20 |
0,72 |
0,90 |
|
10 |
2,00 |
2,50 |
1,00 |
2,00 |
1,20 |
1,50 |
и глинистых грунтах глубина заложения фундамента принимается на 10 см ниже глубины промерзания грунта. Так, в районе Новосибирска она составляет 2,2 м и 2,0 м и городе и сельской местности соответственно; в Москве глубина промерзания грунта составляет 1,4 м. Особенно важно это условие выполнять, если грунты влажные, глинистые (так называемые пучинистые). В сухих грунтах, особенно песчаных и супесчаных, возможна меньшая глубина заложения фундамента (в соответствии с многолетним опытом местного строительства). Для того чтобы предотвратить неравномерное оседание грунта под тяжестью фундамента, нужно, чтобы нагрузка на грунт не превышала допустимую. Чтобы узнать удельную нагрузку на каждый квадратный сантиметр грунта, надо вес фундамента с телескопом разделить на площадь основания фундамента. Например, телескоп весит 50 кг, фундамент телескопа имеет высоту 4 м при диаметре 0,6 м. Объем фундамента 1,13 м2. При объемном весе бетона 1,6 т/м3 вес фундамента составит 1,8 т. Очевидно, что при таком массивном фундаменте весом телескопа можно пренебречь. Разделив вес фундамента на площадь его основания получаем давление на грунт, оно равно 0,64 кг/см2. Из табл. 14 (сопротивление грунта в кг/см2) видно, что такое давление допустимо даже при самом слабом грунте.
Одна из самых неприятных проблем -- проблема микровибраций грунта прежде всего от проходящего поблизости транспорта, работающих тяжелых механизмов и т. п. С этой точки зрения спасение состоит в
Т а б л и ца 14
|
Наименование грунта |
Состояние грунта |
|
|
твердое |
пластичное |
|
|
Щебень кристаллических пород |
5 |
-- |
|
Щебень осадочных пород |
3 |
-- |
|
Пески крупные |
4 |
-- |
|
Пески мелкие |
2,5 |
1,5 |
|
Пески пылеватые |
1,5 |
1,0 |
|
Супесь |
2,5 |
2,0 |
|
Суглинок |
2,0 |
1,0 |
|
Глина |
2,5 |
1,0 |
малой высоте фундамента. У 150-миллиметрового телескопа, установленного на жесткой подставке высотой 50 см над поверхностью Земли на расстоянии 200 м от Транссибирской магистрали, вибрация, вызванная проходящими поездами, была не более 2--3". Тот же телескоп, установленный на полу 4 этажа у самой стены, где вибрации пола сведены к минимуму, имел вибрацию 20--30" от поездов, проходящих на расстоянии 1 км. К сожалению, волнение приземных слоев воздуха сильно портит изображения, и это заставляет поднимать телескоп на высоту хотя бы 2-- 3 м от поверхности Земли. Таким образом, в выборе высоты фундамента телескопа любителю всегда приходится идти на компромисс.
Едва ли найдется техническое средство, которое принесло астрономии в последние сто лет больше информации, чем фотография. Даже, несмотря на появление электрофотометрии, радиоастрономии и других средств, фотография продолжает занимать основное место среди способов регистрации в астрономии. Поэтому было бы неразумно обходить стороной это средство и любителю. Ведь в отличие от глаза, фотоэмульсия в состоянии накапливать свет от слабых источников, она фиксирует сразу большое число объектов, попадающих и поле зрения телескопа, наконец, она служит надежным документом, тогда как глаз, а правильнее сказать, мозг наблюдателя во время наблюдений очень субъективен.
Фотография, а значит, и фотографические средства должны занять достойное место в арсенале любительских средств. Кроме того, даже и для визуальных наблюдений также стоит кое-что добавить к основному телескопу для расширения наблюдательных возможностей любителя. Этих приспособлений и приборов можно построить довольно много, и любитель-одиночка окажется в затруднительном положении из-за дефицита времени. Поэтому было бы хорошо найти одного или нескольких единомышленников для того, чтобы действовать объединенными усилиями. Коллективу даже начинающих любителей по плечу изготовление описанных ниже приборов и приспособлений. Все это вместе -- уже не просто любитель и телескоп, это астрономическая обсерватория, коллектив, работающий целеустремленно и с большой пользой.
Конечно, при этом встретится больше трудностей организационного порядка: например, где установить построенные приборы; как построить пусть несложное, но все-таки помещение для телескопа; как победить самого лютого врага астрономов XX века -- городское освещение по ночам, которое превратило некогда грандиозную картину мироздания в жалкую ее тень. Одно из возможных решений -- кооперация городских и сельских любителей. У первых больше технических возможностей, у вторых -- хорошее ночное небо. Но даже если обсерватория расположена в городе, например на плоской крыше здания, она принесет гораздо больше удовлетворения ее создателям, чем случайные наблюдения во дворе или на балконе.
Поверхностная яркость Солнца слишком велика, чтобы на него можно было смотреть непосредственно в окуляр. Известен случай, когда один из астрономов за несколько секунд ослеп на всю жизнь, наблюдая Солнце в окуляр телескопа. Во многих руководствах рекомендуется использовать темные светофильтры, наподобие тех, что применяются при электросварке. Прежде чем наблюдать с таким стеклом в телескоп, надо сквозь него посмотреть на Солнце без телескопа. Солнце должно быть видно совершенно неярким диском на удивление малых размеров. Однако надо помнить, что наш телескоп собирает слишком много света и тепла, и кусочек стекла помещенный сразу за окуляром в районе выходного зрачка немедленно лопнет, как это однажды случилось у автора книги. Чтобы этого избежать, надо на верхний конец телескопа надеть диафрагму -- крышку из картона или другого материала с небольшим (40--50 мм) круглым отверстием. Кстати говоря, отверстие диафрагмы для телескопа Ньютона располагается асимметрично, чтобы в пучок прошедшего через отверстие света не попали оправа диагонального зеркала и растяжки.
Наблюдения с темным стеклом интересны, когда нужно рассмотреть мелкие подробности в пятнах или других деталях. В тех случаях, когда важно зарисовать картину в целом, наблюдения лучше проводить на экране. Поверхностная яркость Солнца достаточна для
того, чтобы, расположив позади окуляра лист белой бумаги, получить на нем достаточно большое, обычно 10--15 см диаметром, изображение Солнца. Сфокусировав изображение с помощью окуляра, мы можем рассматривать его на экране. Более того, это изображение можно показывать многим людям одновременно и фотографировать экран вместе с изображением Солнца. Окуляр телескопа Ньютона вынесен вбок и экран должен располагаться сбоку на длинном (около 0,5 м)
Рис. 77. Солнечный проектор.
1 -- 45-градусная призма или диагональное зеркало,
2 -- затеняющий кожух, 3 -- экран.
стержне. Если же за окуляром установить 45-градус-ную призму или плоское зеркало, можно направить пучок вниз вдоль трубы. Экран в этом случае располагается в районе оси склонений и может быть укреплен на трубе или корпусе оси склонений.
К сожалению, прямой солнечный свет и рассеянный свет неба очень засвечивает экран. Чтобы защитить экран от прямых лучей Солнца, достаточно на верхнем конце трубы укрепить кусок картона, тень от которого падала бы на экран. Но лучше защитить его и от рассеянного света неба. Для этого надо снабдить экран ящиком в виде пирамиды, в основании которой находится экран, а в вершине--окуляр (рис. 77). Чтобы можно было видеть изображение, в одной из стенок нужно сделать достаточно большое окно.
Меняя окуляры, можно получить изображения различных масштабов. Обычные, даже очень хорошие окуляры плохо работают в качестве проекционных систем, поэтому гораздо лучшее изображение можно получить, применяя короткофокусные фотообъективы. 50-милли-метровый фотообъектив типа "Индустар-50" или аналогичный ему при проекционном расстоянии 500 мм даст 9-кратное увеличение. Это значит, что если диаметр солнечного изображения в фокусе телескопа с фокусным расстоянием 1200 мм равен 11 мм, то на экране диаметр Солнца будет равен примерно 100 мм. Для изучения подробностей в пятнах лучше применять объективы от 16- и 8-миллиметровых кинокамер. Фокусные расстояния этих объективов примерно 10-- 20 мм, а масштаб изображения при том же проекционном расстоянии в 2,5--5 раз больше, чем у "Индустара-50".
Самый простой способ фотографировать Солнце -- делать снимок экрана с солнечным изображением. Так как фотоаппарат находится не точно на оси, изображение Солнца получается слегка сплюснутым. Лучше, однако, вместо экрана на широком конце светозащитного ящика установить кассету с фотопластинкой, а всю установку снабдить фотозатвором для производства коротких выдержек.
В некоторых инструкциях рекомендуется затвор устанавливать в районе выходного зрачка сразу же за окуляром. Хотя с точки зрения светотехники это решение разумно, все-таки устанавливать затвор здесь не следует, так как в выходном зрачке концентрируется большое количество тепла. Лучше снабдить телескоп диафрагмой на верхнем конце трубы, в которую вмонтировать затвор от фотоаппаратов "Фотокор", "Москва" и т. п., вывернув из корпуса линзы объектива. Действующее отверстие объектива "Фотокора" 30 мм, аппаратов "Москва" - 25 мм. Это и будет действующее отверстие нашего телескопа в данном случае (рис. 78, а).
Яркость Солнца слишком велика, и недостаточно задиафрагмировать телескоп и применить малочувствительную эмульсию; нужно принять еще некоторые меры для снижения количества света, падающего на фотопластинку. Лучше всего призму, отражающую свет после окуляра назад, перевернуть, как показано на рис. 78, б. В этом случае от поверхности отражается примерно 5% света и его поток уменьша
ется в 20 раз. Еще лучше установить две призмы, как показано на рис. 78, в. Комбинация из двух призм уменьшает световой поток в 400 раз.
В последнем случае выдержка составит около 1/50 с, если чувствительность эмульсии 1 ед. ГОСТа (позитив-ные пластинки), диаметр Солнца на экране 50 мм, диа-метр диафрагмы объектива с вывернутыми линзами,
Рис. 78. Приспособления для фотографических наблюдений Солнца
а) Центральный затвор с тросиком (линзы фотообъектива вынуты), б) отражение солнечного света от гипотенузы 45-градусной призмы в случае солнечных наблюдений, в) отражения от двух призм.
установленного на крышке телескопа, 30 мм. Если вам удалось достать только одну призму, придется применить желтый или оранжевый светофильтр, установленный за окуляром после призмы. Позитивные пластинки и пленки мало чувствительны к желто-оранжевому свету, но насколько в каждом отдельном случае, сказать трудно, поэтому придется выдержку подобрать опытным путем.
Надо ли говорить, что при использовании фотопластинок (или пленок) даже малой чувствительности светозащитный ящик должен быть совершенно светонепроницаемым. Для этого все щели нужно проклеить черной фотобумагой изнутри, а снаружи все швы на углах заделать алюминиевым уголком. Чтобы проверить ящик на светозащиту, в кассетную часть (лучше ее взять прямо от старого "Фотокора") вставим кассету с пластинкой, откроем кассету на 1--2 минуты после этого закроем. Очевидно, что затвор все это время должен быть закрытым. После проявления пластинки станет ясно, пропускает ящик свет или нет.
Как ни удобен телескоп, предназначенный для наблюдения и фотографирования Солнца на экране, все-таки специальный телескоп может стать настоящим центром любительских наблюдений Солнца. В простейшем виде солнечный телескоп (рис. 79) состоит всего из двух оптических деталей: главного длиннофокусного зеркала 1 и вспомогательного плоского зеркала 2 примерно того же диаметра, что и главное (рис. 79).
Диаметр изображения Солнца равен 0,009F == F/110.
Рис. 79. Простейший горизонтальный солнечный телескоп (с рисунка Р. Портера).
1--главное зеркало, 2 --вспомогательное плоское зеркало, 3 -- объектив от фотоаппарата.
Это значит, что если фокусное расстояние зеркала равно 5000 мм, то диаметр солнечного изображения будет равен 45 мм. Это уже достаточно для фотографирования на пластинках размером 6X9 или 4,5 Х 6. Если фокусное расстояние равно 3000 мм, то диаметр изображения равен 27 мм, и его можно фотографировать малоформатной камерой на формат 21X36 мм, если у
фотоаппарата вывернуть объектив. Однако можно выбрать фокусное расстояние значительно больше, скажем, 20--30 м, тогда изображение Солнца будет иметь диаметр180--270мм. Такое изображение удобно наблюдать визуально. Скорее всего, нужно остановиться на фокусном расстоянии примерно 3--5 м и для получения больших изображений для визуальных наблюдений применить окулярную проекцию на экран, применив для этой цели фотообъектив 3 с фокусным расстоянием 80--100 мм и полевую плосковыпуклую линзу, как в окуляре Кельнера или Рамсдена. Назначение полевой линзы -- перехватить лучи на краю поля зрения и направить их в проекционный объектив, тем самым увеличив поле зрения.
Схема телескопа элементарна. Высококачественное плоское зеркало направляет свет Солнца на главное сферическое (стоящее южнее), а то в свою очередь направляет конус лучей обратно (на север), так что рядом с плоским зеркалом получается изображение Солнца, которое рассматривается на экране или фотографируется. Рассматривая схему, обратим внимание на то, что изображение Солнца оказывается не на оптической оси главного зеркала. Такое смещение изображения приводит к образованию так называемых полевых аберраций -- комы и астигматизма. Чтобы их влияние было минимальным, следует как можно меньше смещать изображение с оси или, иначе говоря, максимально приблизить изображение к плоскому зеркалу. Во-вторых, относительное отверстие главного зеркала должно быть небольшим.
Для 120-миллиметрового зеркала фокусное расстояние не должно быть короче 3000 мм, а его относительное отверстие, следовательно, не должно превышать 1/25.
Для 180-миллиметрового зеркала минимальное фокусное расстояние 5000 мм, а относительное отверстие 1/28.
Диаметр плоского вспомогательного зеркала может быть на 15--20% меньше диаметра главного. Изготавливая плоское зеркало, его можно испытывать в схеме Коммона в сочетании с главным сферическим (см. рис. 37, 6). Неудобство заключается в том, что радиус кривизны главного зеркала вдвое больше его фокусного расстояния, и длина испытательного помещения должна быть равна 6--10 м. Для рассматривания теневой картины на таком расстояний можно применить небольшую подзорную трубу или бинокль, разместив их позади ножа Фуко, где обычно помещается глаз. 5--6 -кратного увеличения вполне достаточно. Если же испытания в таком длинном помещении -- непреодолимое препятствие, можно изготовить другое вспомогательное сферическое зеркало с радиусом кривизны 1,5 --2 м и диаметром в полтора раза меньше, чем у испытуемого плоского зеркала. Если плоские зеркала в двух наших примерах имеют диаметры около 150 и 100 мм, то вспомогательные эталонные сферические зеркала для испытания этих "плоскостей" должны иметь диаметры примерно 100--70 мм. Изготовить такие зеркала с радиусами кривизны, 1,5--2 м для любителя, построившего свой первый телескоп, не представляет труда.
Если телескоп действует в своей простейшей форме, большой помехой служат токи теплого воздуха, поднимающегося над нагретой поверхностью 3емли.
Чтобы их уменьшить, желательно, чтобы под телескопом росла трава. Еще лучше, если пучки света между плоским и главным зеркалами заключены в трубу. Эта труба может быть металлической, асбоцементной, деревянной и т. п. Лучше брать материал с низкой теплопроводностью, например дерево или асбоцемент. Снаружи трубу надо покрасить белой краской, чтобы уменьшить нагревание солнечными лучами.
Вблизи плоского зеркала, где образуется изображение Солнца, надо установить трубку с кремальерой или другим фокусировочным устройством и резьбой М42 Х 1 для наворачивания малоформатного фотоаппарата или салазки с кассетным устройством, если применяются пластиночные кассеты. Для того чтобы экран или кассету защитить от прямого солнечного и рассеянного света неба, окно, где установлен телескоп, надо закрьгть ставней с небольшим отверстием или плотной шторой. Так как выдержки короткие, некоторое количество паразитного света не страшно.
Рефлектор Ньютона можно легко превратить в полярный солнечный телескоп (рис. 80). Для этого труба телескопа направляется на полюс мира, для чего ее
ориентируют на север и наклоняют к горизонту на угол, равный широте места наблюдений с точностью до 1--2º. Перед верхним концом трубы устанавливается плоское зеркало, называемое сидеростатом. Сидеростат может наклоняться в вилке по склонению и поворачиваться на оси вилки по часовому углу. Лучше всего, если осью вилки будет служить ось часового механизма от суточного метеорологического самописца (барографа, термографа и др.). В этом случае зеркало, поворачиваясь вслед за Солнцем со скоростью 1 об/сут, будет удерживать изображение в центре поля зрения или на экране неопределенно долго.
Рис. 80. Полярный солнечный телескоп.
Телескоп предназначен для полевых условий, когда он устанавливается на двух вкопанных в землю столбах и закрывается сверху растянутой палаткой. На данной фотографии телескоп установлен на случайном штативе.
Прежде чем устанавливать часовой механизм на место, надо его испытать. Для этого на конце оси часового механизма с помощью гайки укрепим бумажную стрелку. Разметив круглую крышку механизма на 24 равные части, заведем механизм и установим стрелку по часам. За сутки механизм не должен отставать или спешить более чем на 10--15 минут. В этом случае Солнце будет удерживаться в центре поля зрения в течение 1--1,5 часа, т. е. всего времени наблюдений. Если механизм сильно отстает, осторожно его разберем и на балансире вывернем пару симметрично расположенных винтиков-грузиков. Если механизм спешит, симметрично относительно центра насадим на балансир пару крошечных кусочков пластилина. Эти меры необходимы в случае, если механизм "грешит" на 1,5--2 часа в сутки. Если ошибка меньше, можно ограничиться регулировкой с помощью обычного регулятора.
Чтобы изображение Солнца спроецировать на горизонтальный столик, где его значительно удобнее наблюдать, установим сразу за окуляром 45-градусную призму или плоское оптически точное зеркало и направим пучок вниз *).
*) Чтобы 45-градусная призма отклонила лучи вниз, надо, чтобы оптическая ось окуляра была горизонтальна.
Еще лучше вместо обычной 45-градусной призмы внутри телескопа, отклоняющей свет в окуляр, установить плоское зеркало, которое сразу направит пучок вниз на стол. Окуляр в этом случае направлен вниз. Полярный телескоп нужно установить в темном помещении, чтобы снаружи оказался только сидеростат. Разумеется, помещение не должно отапливаться и в нем должна поддерживаться та же температура, что и на улице, иначе струи теплого воздуха совершенно испортят изображение. В полевых условиях полярный телескоп может устанавливаться в палатке, затеняющей экран. Для фотографирования групп пятен малоформатный фотоаппарат со шторным затвором кладется с вывернутым объективом на стол. Изображение фокусируется по листу бумаги, лежащему на столе, и фотоаппарат пододвигается к группе, чтобы она "провалилась" в аппарат. Выдержка осуществляется затвором аппарата.
Разумеется, вместо окуляров лучше применить фотографические или проекционные объективы, как уже говорилось раньше. Сравнивая изображения, даваемые различными окулярами и объективами, можно легко и быстро отобрать лучшие из них. Не нужно стремиться при фотографировании к очень большому масштабу. Дело в том, что струй теплого воздуха сильно портят
изображения, поэтому для прямого (без объектива) фотографирования пятен малоформатным аппаратом достаточно иметь на экране изображение Солнца диаметром не более 70--100 мм. Для визуальных же наблюдений подробностей нужный масштаб легко подобрать практически; он окажется значительно больше.
Для организации любительской службы неба (регистрация вспышек новых звезд, полетов болидов и т. п.) В. И. Коваль предложил [25] использовать малоформатные аппараты, установленные на пружинном меха-
Рис. 81. Патрульный астрограф любительской службы неба.
низме метеорологического самописца так же, как зеркало сидеростата. Эти самописцы относительно нетрудно достать в магазинах учебно-наглядных пособий, они недороги, неприхотливы в обслуживании. Отрегулированный, как было рассказано выше, такой механизм может поворачивать фотоаппарат типа "Зенит" или пару фотоаппаратов типа "Смена" за суточным вращением неба в течение 15--20 минут. Ошибка в ходе механизма в этом случае не должна превышать 10 минут в сутки. Если мы захотим применить с "Зенитом" объектив с фокусным расстоянием 100 мм, то ошибка не должна превышать 5 минут в сутки.
На рис. 81 дана фотография патрульного астрографа, построенного в клубе им. Максутова. Фокусное расстояние объектива не должно превышать 100-- 135 мм, иначе масса аппарата окажется велика. Однако если вместо подшипников скольжения, в которых вращается главная ось часового механизма, установить шарикоподшипники, а всю монтировку хорошо сбалансировать, то можно применить и 200-миллиметровый объектив. С такими объективами можно получить замечательные фотографии крупных туманностей и скоплений. Применив высокочувствительные пленки, можно получить изображения звезд до 13--14-й звездной величины. Если же на фотоаппарате стоит "штатный" объектив с фокусным расстоянием 40--50 мм, то на фотографиях получатся большие области неба и звезды до 10--11-й звездной величины. Эти объективы интересны для поиска новых звезд, фотографирования астероидов, переменных звезд, составления фотографических атласов неба. Нужно только помнить, что обычные фотообъективы имеют на краю поля зрения плохие изображения, поэтому надо использовать примерно 50--70% площади кадра. Ї КАМЕРА ШМИДТА
Там, где необходимы большие поля зрения, описанный астрограф незаменим. Однако, когда мы хотим получать фотографию туманности, звездного скопления, галактики или кометы в большом масштабе, необходим астрограф с большим фокусным расстоянием. В качестве такого астрографа можно применить малоформатную камеру с объективами типа "Таир-3", "МТО-500", "МТО-1000", укрепленную на трубе телескопа, снабженного часовым механизмом или хотя бы микрометренными винтами по обеим осям. К сожалению, эти объективы имеют малое относительное отверстие и, следовательно, малую светосилу. Поэтому даже для получения сравнительно ярких протяженных
объектов требуется выдержки порядка часа и более.
Можно получить гораздо большее относительное отверстие с единственной оптической деталью -- сферическим зеркалом, перед которым установлена кассета с пленкой. К сожалению, полевые аберрации сильно портят изображения сразу вне оптической оси зеркала.
Рис. 82. Схема камеры Шмидта и конструкция кассеты.
а) Камера Шмидта, б) кассета. 1 -- барабан, 2--фокусировочный винт. 3 -- растяжки, 4 -- магнитное кольцо, 5--выпуклое дно кассеты, 6 -- фотопленка, 7 -- прижимное кольцо, 8 -- крышка, 9 -- склейки эпоксидной смолой.
Вот если бы каждая точка фокальной поверхности оказалась на оси зеркала! На первый взгляд это явный абсурд. Но это только на первый взгляд. Эстонский оптик Бернард Шмидт, работая в Гамбургской обсерватории, изобрел систему, где это условие выполнено. В центре кривизны сферического зеркала он установил диафрагму, которая на 30--40% меньше диаметра зеркала. Рассмотрим, как действует эта система (Рис. 82).
Пучок света, идущий от звезды, падает на зеркало точно вдоль оси симметрии зеркала и диафрагмы, значит этот пучок центральный и после отражения от участка 1 зеркала он упадет на пленку в точке а. Разумеется, что ни комы, ни астигматизма не возникнет, так как пучок центральный. Рассмотрим пучок от другой звезды, падающий на участок 2 зеркала и отражающийся относительно своей оси симметрии в точку b на пленке. Центр диафрагмы, центр освещенного пучком участка зеркала 2 и изображение точки лежат точно на оси симметрии этого пучка, следовательно, и здесь не возникнут краевые аберрации кома и астигматизм. Можно рассмотреть любой, не срезанный краем сферического зеркала пучок, и все они окажутся совершенно равноправными друг перед другом. Следовательно, ни кома, ни астигматизм не возникнут в пределах пленки на участках от точки b до точки с. В действительности и за пределами этого участка кома не возникнет, но освещенность пленки начнет падать и тем больше, чем сильнее будут срезаться краем зеркала очень наклонные пучки.
Итак, грамотно разместив перед простым зеркалом диафрагму, Б. Шмидт сумел создать камеру, свободную сразу от хроматической аберрации, комы и астигматизма. Остается неисправленной сферическая аберрация. На первый взгляд достаточно заменить сферическое зеркало на параболическое и можно свести к нулю и сферическую аберрацию, но на самом деле это не так, потому, что параболоид имеет различную кривизну на разных зонах. Поэтому падающие на края зеркала пучки не будут равноправными с центральным пучком, и здесь возникнут аберрации.
Чтобы устранить сферическую аберрацию, Б. Шмидт установил в диафрагме специальную линзу -- отрицательную на крайних зонах и положительную в центре. Изготовление этой линзы не по силам начинающим любителям, но у нас есть еще одно средство, позволяющее сильно снизить сферическую аберрацию этой камеры: надо уменьшить относительное отверстие. Расчеты показывают, что если относительное отверстие такой упрощенной камеры Шмидта с действующим отверстием 100 мм не будет превышать 1/2,8, то пятно изображения звезды будет иметь допустимый диаметр -- около 0,1 мм. Это относительное от
верстие в 1,6 раза больше, чем у "Таира-3", а светосила больше в 2,5 раза. Значит, для съемки одного и того же объекта с нашей камерой потребуется в 2,5 раза меньшая выдержка, чем с "Таиром", а выигрыш по сравнению с "МТО-500" и "МТО-1000" составит соответственно 8 и 12 раз! Там, где "Таиру-3" потребуется выдержка в 45 минут (туманность Ориона, напри-
Т а б л и ц а 15
|
Действующее отверстие (диаметр диафрагмы), мм |
Предельное фокусное расстояние, мм |
Длина камеры, мм |
Диаметр сферического зеркала, мм |
Диаметр поля зрения |
Относительное отверстие |
|
|
мм |
градусы |
|||||
|
70 |
165 |
330 |
115 |
23 |
7,3 |
1/2,4 |
|
80 |
200 |
400 |
130 |
27 |
6,9 |
1/2,5 |
|
100 |
280 |
560 |
165 |
33 |
6,1 |
1/2,8 |
|
120 |
370 |
740 |
200 |
40 |
5,6 |
1/3,1 |
|
150 |
515 |
1030 |
250 |
50 |
5,0 |
1/3,4 |
мер), нашей камере для того же результата нужна выдержка 18 минут.
В табл. 15 приведены основные параметры упрощенной камеры Шмидта. Указаны наиболее короткие из возможных фокусные расстояния и максимально возможные относительные отверстия. Как видно, камера Шмидта в два раза длиннее своего фокусного расстояния. Данные этой таблицы справедливы только для фотографических работ. Диаметры и относительные отверстия визуальных инструментов см. в табл. 5 и 6.
Так как фокальная плоскость камеры Шмидта расположена внутри камеры, ее кассета отличается от обычных кассет для пластинок. Во-первых, кассета проецируется на зеркало и заслоняет подобно диагональному зеркалу телескопа Ньютона часть его поверхности. Без особого вреда для дела можно заслонить 30--40% диаметра пучка. Так, если диаметр пучка равен 120 мм, то диаметр кассеты может равняться 35 --50 мм. Во-вторых, фокальная поверхность камеры Шмидта искривлена и представляет собой сферу радиуса, равного фокусному расстоянию, направленную выпуклостью к зеркалу. Поэтому дно кассеты делают выпуклым. Так как с целью экономии площади кадра кассету приходится делать круглой, то и дно кассеты круглое; поэтому его можно выточить подобно металлическому шлифовальнику (см. Приложения). Конструкция кассеты видна на рис. 82, б. Для крепления кассеты на месте в центре трубы делается система растяжек или ставится пара стоек под углом 90º друг к другу. На этих стойках укреплен барабан 1 со сквозным отверстием с резьбой. В этой резьбе движется винт 2, на котором крепится магнитное кольцо 4. Магнитное кольцо удерживает стальную кассету во время экспонирования. Можно предусмотреть и замковое крепление кассеты. Винт механизма служит для фокусирования и фиксируется гайкой.
Для наблюдений за изображением во время фокусировки в стенку трубы камеры надо вделать трубочку, направленную точно на центр дна кассеты. В эту трубочку вставляется простая зрительная трубка, сфокусированная на дно кассеты. Вставив в кассету кусок засвеченной пленки 6 и прижав его пружинящим кольцом 7 к дну, рассматриваем его через эту трубку и, вращая винт, добиваемся наилучшей резкости. Надо помнить, что по мере перемещения кассеты вдоль оптической оси меняется расстояние и между объективом фокусировочной трубки и кассетой, поэтому сбивается фокусировка и в трубке. Установив кассету в новое положение, надо сфокусировать и трубку, немного перемещая ее ближе или дальше от кассеты или действуя окуляром. Для этого в центре засвеченного куска пленки надо начертить перекрестие. Фокусируем камеру, направив ее на яркую звезду или на Луну. На практике фокусировка отнимает очень мало времени.
Во время установки кассеты в камеру ее крышка 8 должна быть закрыта, так как, сняв крышку кассеты, мы немедленно можем засветить пленку. Для установки кассеты, для снимания с нее крышки и надевания после экспозиции в стенках камеры надо сделать два отверстия, расположенных немного дальше от зеркала, чем кассета, чтобы когда с этих отверстий снимаются крышки, пленка не засветилась прямым светом, идущим через отверстия.
Для удобства зарядки часто делают зарядные мешки, которые имеют на одном конце отверстие с проде
той резинкой (этим отверстием мешок надевается на камеру), а на другом конце рукава, куда вставляются руки с кассетой.
В кассету камеры Шмидта вставляется круглый кусок пленки, который можно вырезать (точнее, выбить) пуансоном. Установив пуансон на пленку, лежащую на куске пластмассы, бьем молотком по верхушке пуансона и вынимаем из пуансона кусок пленки.
Гидом в астрофотография называют вспомогательный телескоп, с помощью которого наблюдатель контролирует ход часового механизма и вносит поправки, если его ход нарушается или возникают другие причины, из-за которых звезды на пластинке могут сместиться. Таким гидом для астрографа может прекрасно служить наш телескоп-рефлектор, снабженный часовым приводом или хотя бы микрометренными винтами по обеим осям.
Для того чтобы гидирование было удобным, в поле зрения окуляра надо установить крест нитей (см. рис. 39, в). В простейшем случае -- это две тонкие (0,1--0,2 мм) проволочки, натянутые под углом 90º друг к другу в фокальной плоскости окуляра. Эта плоскость совпадает с плоскостью полевой диафрагмы. Проверить правильность установки можно просто: установив крест нитей на место, смотрим в окуляр, держа его перед листом чистой бумаги. Нити должны быть видны резкими без напряжения глаз. Если это не так, надо немного сместить крест вдоль оси окуляра в ту или иную сторону.
Наблюдатель подыскивает яркую звезду, которая называется ведущей звездой и слегка расфокусирует окуляр, чтобы звезда выглядела размытым светлым пятнышком. Перекрестие помещается на фоне этого пятнышка, и оно достаточно хорошо видно. Задача наблюдателя так вести телескоп, чтобы круглое пятнышко постоянно делилось на четыре совершенно равные части. Такой крест нитей годится только в случае короткофокусного астрографа.
Ярких звезд не так уж много, чтобы в любой точке неба их можно было найти. Поэтому, наводя телескоп на объект, мы подыскиваем достаточно яркую звезду.
Как правило, телескоп приходится немного сместить в сторону. Значит, объект окажется не в центре поля зрения. Поэтому этот метод гидирования можно применить когда поле зрения астрографа достаточно велико, по крайней мере 5--100. Такое поле, например, имеет объектив "Таир-3" с "Зенитом". Эти рассуждения относятся к случаю, когда гидом служит рефлектор диаметром 120--150 мм. В этом случае в качестве ведущих звезд могут служить звезды до 6-й--7-й звездной величины.
Если же в качестве астрографа употребляется сам телескоп, то его поле зрения при фокусном расстоянии 1200 мм на кадре 24X36 мм в угловой мере составит 1º9' х 1º43'. На таком участке неба может и не оказаться подходящей звезды (6-й -- 7-й звездной величины). В этом случае гидировать придется по слабой звезде, и ее изображение в поле зрения гида должно быть резким, а крест подсвечен (см. рис. 39, в). Так как увеличение должно быть достаточно велико (см. табл. 16), то нити должны быть достаточно тонки (0,01-- 0,02 мм). Такие нити можно получить, расплетая волокна, из которых скручены шелковые нити. Автор книги обычно натягивает пару параллельных нитей вдоль круга склонений (вертикально) с расстоянием между ними примерно 0,05 мм. Одна нить располагается параллельно суточной параллели (горизонтально).
Для того чтобы нити было удобнее натягивать, вытачивается тонкое алюминиевое колечко. Его наружный диаметр равен внутреннему диаметру оправы окуляра в районе полевой диафрагмы. Толщина кольца около 0,5 мм, высота 5 мм. Положив кольцо на ровную поверхность стола и вооружившись лупой, сделаем острым ножом две насечки на ребре кольца на расстоянии примерно 0,1 мм. В противоположной по диаметру точке кольца сделаем одну насечку. Отрежем кусочки нити на 30--40 мм длиннее диаметра кольца и на каждом конце прикрепим кусочки пластилина в качестве грузиков. Натянем нити, утопив их в насечках. В середине кольца расстояние между нитями будет 0,05 мм и они практически параллельны между собой. Для нити, параллельной суточной параллели, сделаем еще пару насечек. Установив в насечки нить, капнем по капельке клея с наружной стороны кольца в местах, где свисают концы нитей с грузиками. После высыха
ния клея обрежем концы нитей с грузиками и вставим кольцо в окулярную оправу, чтобы крест нитей оказался в плоскости диафрагмы и был виден в окуляр резко. Подробно об устройстве окуляра с крестом нитей рассказано в Ї 35 (рис. 39, в).
Р. Кокс предлагает следующую конструкцию "креста нитей" (рис. 83). В районе полевой диафрагмы под
Рис. 83. Схема светящейся сетки Р. Кокса [27].
1 -- пучок света, идущий от зеркала телескопа, 2 -- тонкая стеклянная пластинка, 3 -- стекло, покрытое алюминием или черным лаком, на котором прочерчен крест, 4 -- матовое стекло, 5 -- проекционная линза, 6 -- окуляр телескопа, 7 -- реостат.
углом 45º к оптической оси надо установить тонкое плоскопараллельное стекло, например кусочек отмытой фотопластинки 2. На это стекло надо спроецировать с помощью линзы 5 крест, прочерченный на стеклянной пластинке 5, покрытой алюминием или тонким слоем черного лака. Это перекрытие освещается сзади через матовое стеклышко 4 лампочкой. Стеклянная пластинка отражает в окуляр 6 5% света. Изображение двоится, но нам это не мешает. Сквозь стекло проходит примерно 90% света звезды.
Рассмотрим подробнее вопрос о размерах и увеличении гида. Число звезд даже 10-й величины не так уж велико. На 1 квадратный градус в среднем приходится от шести до восьми таких звезд в районе Млечного Пути, а в удаленных от Млечного Пути частях неба их всего одна - две. Это значит, что если поле зрения астрографа не превышает 1--2º, то может оказаться так, что в слабый гид не удастся найти ни одной ведущей звезды. Для того чтобы можно было уверенно гидировать по звезде 10-й звездной величины, надо, чтобы диаметр гида был по крайней мере 120-- 130 мм. Разумеется, для широкоугольного астрографа вопрос о выборе подходящей звезды решается иначе, как об этом уже рассказывалось. Гид такого астрографа может иметь диаметр 50--100 мм.
В большинстве руководств указывается, что гид должен иметь большое фокусное расстояние, так как в этом случае легче заметить небольшое смещение звезды на кресте. Это и так, и не совсем так. Гид должен иметь, прежде всего, большое увеличение. Для этого он опять-таки должен иметь сравнительно большой диаметр и достаточно сильный окуляр. Правда, в сильный окуляр нити креста будут выглядеть слишком грубыми, и наблюдатель не получит выигрыша. Поэтому лучше применить или линзу Барлоу или окулярный микроскоп. Окулярный микроскоп представляет собой трубку, в которую вставлен микрообъектов, переносящий изображение из фокальной плоскости в новое место с некоторым, обычно небольшим (З--6х) увеличением.
Это увеличенное изображение рассматривается с помощью сравнительно слабого окуляра, в поле зрения которого установлен крест нитей. В этом случае нити видны тонкими, тогда как увеличение телескопа в целом большое. В сущности, объектив окулярного микроскопа выполняет ту же функцию, что и линза Барлоу; он увеличивает эквивалентное фокусное расстояние телескопа. Зависимость увеличения гида от фокусного расстояния астрографа приведена в табл. 16.
Т а б л и ц а 16
|
Фокусное расстояние объектива астрографа, мм |
50 |
100 |
150 |
200 |
300 |
500 |
1000 |
|
Точность гидирования, секунды дуги |
100 |
50 |
30 |
25 |
14 |
10 |
5 |
|
Минимальное увеличение гида |
20 |
35 |
60 |
80 |
120 |
200 |
350 |
Окуляр с крестом нитей должен иметь фокусное расстояние приблизительно 20 мм. Это значит, что для 20-кратного увеличения потребуется гид с фокусным расстоянием 400 мм, а для 350-кратного -- с фокусным расстоянием 7 м! В этом случае вас и выручает линза Барлоу или окулярный микроскоп. Если 150- миллиметровый гид имеет фокусное расстояние 1200 мм, то надо применить 5-кратную линзу Барлоу или 5-кратный микроскоп.
Нужно приложить все усилия к тому, чтобы во время гидирования астрограф и гид оставались совершен-то неподвижными относительно друг друга. Ничтожный сдвиг во время экспозиции гида относительно астрографа приведет к тому, что наблюдатель возвратит ведущую звезду на перекрестие и тем самым собьет наводку астрографа.
Соблазнительно не ограничивать себя короткофокусными астрографами. Интересно получить фотографии небесных объектов с помощью рефлектора диаметром 150 мм, а может быть, и больше. Это относительно несложно. О фотографировании Луны и планет мы расскажем несколько позже, а сейчас рассмотрим возможность фотографировать туманности, звездные скопления, галактики.
Поверхностная яркость этих объектов мала, а светосила нашего телескопа недостаточна для коротких выдержек. При относительном отверстии 1/8 и чувствительности пленки 350 ед. ГОСТа при фотографировании, например, одной из самих ярких туманностей -- Большой туманности Ориона -- потребуется выдержка около часа. Для фотографирования слабых туманностей и галактик (М 33 в Треугольнике, "Циррус" в Лебеде, "Улитка" в Водолее) потребуется выдержка 3--4 часа.
Эти выдержки могут быть сокращены в 2--3 раза, если применить специальные астрономические пластинки и пленки или если гиперсенсибилизировать (повысить чувствительность) фотопленку, но все-таки при таком относительном отверстии (1/8) выдержки достаточно продолжительны.
Гидировать телескоп в течение 1--2 часов довольно утомительно. Поэтому надо устранить все, что может мешать работе. Это и недостаточная жесткость монтировки, и неравномерность работы часового привода и микрометренных винтов, и неудобный доступ к ним, и недостаточная яркость ведущей звезды. Достаточную яркость может обеспечить гид большого, не менее чем у астрографа диаметра. Но делать два одинаково мощных телескопа неразумно. Поэтому и в профессиональной и любительской практики все чаще применяются в качестве гида сам астрограф. Для этого в непосредственной близости от фотокассеты устанавливается оку-
Рис. 84. Окулярный микроскоп, приспособленный для гидирования ( по Краймеру )
1 -- жесткая пластина фокусировочного устройства, 2 -- винты с возвратными пружинами, 3 -- отверстие на краю поля зрения, 4 -- кассета, 5 -- микроскоп
лярный микроскоп, который может в некоторых пределах перемещаться и наводиться на какую-нибудь яркую (6-й--8-й звездной величины) звезду на краю поля зрения телескопа, за пределами кассеты. Окуляр микроскопа, снабженный освещаемым крестом нитей, жестко закрепляется и начинается гидирование. Выбрать ведущую звезду обычно не составляет труда, тем более, что можно "обойти" микроскопом около пластинки. Во-вторых, прогибы трубы, случайные скачки изображения не страшны, так как смещение звезд на пластинке и на кресте нитей происходит одновременно и на совершенно одинаковую величину.
На рис. 84 показана конструкция фотографического узла в ньютоновском фокусе. Кассета 4, предназначенная для одного кадра, устанавливается с некоторым
трением в пазах, укрепленных на пластине 1, на которой, кроме кассеты, устанавливается микроскоп 5, имеющий возможность перемещаться в пределах 90º. Фокусировочное устройство - три винта с возвратными пружинами 2.
Для фотографирования в ньютоновском фокусе можно приспособить и корпус фотоаппарата (лучше зеркального, типа "3енит").
Любитель, знакомый с методикой теневых испытаний, может применить гораздо более надежные способы фокусирования, чем фокусировка по матовому стеклу. Для этого открываем заднюю крышку аппарата, уже установленного на телескопе, и на кадровую рамку кладем нож Фуко, который в данном случае представляет собой металлическую пластинку с одним остро заточенным на одну сторону краем. Надо проследить за тем, чтобы на рамке лежала рабочая поверхность ножа и чтобы плоскость ножа и пленки строго совпадали. Теперь приводим в поле зрения яркую (2-й--3-й звездной величины) звезду и наблюдаем на зеркале теневую картину. Установить нож в положении, когда его плоскость в точности совпадает с фокальной плоскостью, не составит труда. Для этого на параболическом зеркале надо увидеть "плоский" рельеф, а на сфере -- рельеф с подвернутым краем. В этом нет ничего удивительного: ведь на этот раз источник света -- звезда--находится не в центре кривизны, а в бесконечности. Будет мешать турбуленция воздуха, но это не очень страшно, так как довольно легко можно установить, когда площади между светлыми и темными непрерывно бегущим участками теневой картины примерно равны. После установки на фокус убираем нож и заряжаем пленку. Можно выточить специальный стакан, который наворачивается на ту же резьбу, что и фотоаппарат. В дне стакана делается отверстие и сверху кладется нож. Надо тщательно выставить нож с таким расчетом, чтобы его плоскость находилась на том же расстоянии от посадочной поверхности стакана, что и расстояние между посадочной поверхностью аппарата и плоскостью пленки. При относительном отверстии 1/6-- 1/8 точность должна составить 0,2--0,3 мм. В тех случаях, когда применяется плоская кассета, нож Фуко может быть смонтирован на пластине, которая вставляется вместо кассеты.
Для фотографирования планет и Луны можно использовать главный фокус телескопа. Здесь можно получить снимки фаз Луны с большим числом кратеров и других деталей, можно сфотографировать систему спутников Юпитера, но значительно интереснее попытаться получить крупномасштабные фотографии участков поверхности Луны, фотографии поверхностей планет, колец Сатурна и т. д. Однако при фокусном расстоянии 1200 мм масштаб изображения таков, что полный диск Луны получается на негативе кружком диаметром 11 мм. При 10-кратном увеличении фотоувеличителем при печати можно получить достаточно резкое изображение диаметром 110 мм. Юпитер в главном фокусе будет иметь диаметр 0,23 мм и подробностей на его поверхности сфотографировать не удастся.
Для того чтобы масштаб изображений планет был приемлемым, надо увеличить эквивалентное фокусное расстояние. Для этого следует применять или линзу Барлоу, или окулярную камеру. Эквивалентное относительное отверстие чаще всего выбирается равным 1/100--1/150. Это значит, что нам потребуется 8--12-кратное увеличение.
На рис. 85 показаны примеры окулярных камер. В схеме а) объектив О проецирует изображение из фокальной плоскости телескопа f' на фокальную плоскость окулярной камеры f'1. Камера работает наподобие фотоувеличителя: вместо негатива -- изображение Луны или планеты в фокусе телескопа, вместо изображения на столе -- изображение Луны или планеты на фотопленке.
Положение объектива относительно фокальной плоскости телескопа и изображения на матовом стекле можно легко определить на практике. Для этого возьмем лампочку от карманного фонарика, поднесем к ней микрообъектив передней его стороной, а если это фото или кинообъектив,-- задней и попытаемся спроецировать изображение волоска на любой экранчик. Добившись резкости на экране, измерим расстояние объектива от волоска и экрана. Масштаб изображения получим, положив лампочку на миллиметровку и оценив длину волоска, а потом разделив длину изображения на длину самого волоска.
Надо помнить, что часто описываемые окулярные камеры, работающие с окуляром в качестве проекционной системы, на практике плохи, так как окуляр дает слишком плохие изображения при проекции, в чем нетрудно убедиться, проецируя изображение волоска лампочки с помощью окуляра, микрообъектива
б)
Рис. 85. Фотографирование с помощью окулярной проекции.
а) Схема "окулярной" проекции с помощью объектива от 16- или 8-мм кинокамеры, б) камера с объективом, установленная сразу за окуляром.
или кинообъектива. Проецировать надо в большом масштабе, например на стену, сравнивая качество изображения и прежде всего наличие цветной каймы (хроматическая аберрация), бесцветного туманного ореола (сферическая аберрация), контраста изображения в целом (паразитное рассеяние на линзах). Этим способом можно легко и быстро выбрать подходящий объектив. Если все-таки читатель на первых порах вынужден пользоваться окуляром, его надо снабдить желтым светофильтром, чтобы уменьшить влияние хроматической аберрации.
В качестве собственно камеры лучше всего применить зеркальный фотоаппарат типа "Зенит". Большое преимущество зеркальных камер в том, что изображение, предназначенное для фотографирования, можно наблюдать непосредственно перед съемкой на матовом стекле. При этом видны все дефекты изображения: недостаточная резкость, наличие засветки, волнение изображения из-за атмосферных помех, виньетирование и т. п.
Проекционную трубу на первых порах можно собрать из насадочных (удлинительных) колец к фотоаппарату и бумажно-клеевой трубки, но лучше, конечно, трубку выточить, предусмотрев в ней оправу для проекционного объектива.
Можно несколько упростить процедуру съемки с окулярным увеличением. Для этого достаточно, не вынимая окуляра из окулярной трубки, установить сразу за окуляром фотоаппарат с его "штатным" объективом. После окуляра пучок света выходит параллельным и падает на объектив фотоаппарата, объектив его снова фокусирует на матовое стекло (рис. 85, б). Диафрагма объектива фотоаппарата должна быть открыта до диаметра несколько больше выходного зрачка телескопа.
Эквивалентное фокусное расстояние системы равно фокусному расстоянию фотообъектива, умноженному на увеличение телескопа при визуальном наблюдении с данным окуляром. Так, если фокусное расстояние объектива 50 мм, а увеличение телескопа 50 раз, то эквивалентное фокусное расстояние системы равно 2500 мм. Если в случае нашего 150-миллиметрового телескопа с фокусным расстоянием 1200 мм потребуется эквивалентное фокусное расстояние 5000 мм, то, значит, масштаб изображения возрастет в 4,2 раза. Для получения эквивалентного фокусного расстояния 5000 мм с 50-миллиметровым фотообъективом потребуется увеличение телескопа в 100 раз. Нам придется взять окуляр с фокусным расстоянием 12 мм. Этот способ применяется обычно при небольшом увеличении, когда фотографируется Луна или участки ее поверхности.
"Олл скай" (аll sky) в переводе с английского значит "все небо". "Олл-скай" камера -- это камера, которая в состоянии одновременно сфотографировать все или почти все небо. Наиболее подходящим объективом для этого служит так называемый "фиш ай" ("рыбий глаз") -- специальный объектив с углом зрения 170-- 180º. К сожалению, эти объективы дороги, и любители нашли другой достаточно остроумный способ фотографировать все небо (рис. 86). Для этого берется обычный фотоаппарат, например "Зенит" или "Зоркий", и устанавливается перед выпуклым зеркалом большой кривизны. Таким зеркалом может быть алюминированная конденсорная линза большого диаметра, химическая колба; на худой конец можно взять елочный
Рис. 86. "Олл-скай" камера.
А -- выпуклое зеркало, a -- угол между нормалями на краях зеркала. Угол зрения системы в два раза больше угла a.
шарик как можно большего диаметра, конечно, без рисунка на посеребренной части.
Шарик или зеркало устанавливается перед фотоаппаратом на некотором расстоянии с таким расчетом, чтобы фотоаппарат мог сфотографировать отражение предметов в этом выпуклом зеркале. Разумеется, изображение будет сильно искажено, но это неизбежно, так как невозможно без искажений спроецировать сферу на плоскую пленку. Искривление прямых линий в выпуклом зеркале называется дисторсией. Дисторсия свойственна и сверхширокоугольным объективам типа "фиш ай".
В шарике или колбе отражается и фотоаппарат, но площадь, которую занимает его изображение, мала, и с этим приходится мириться. Чтобы площадь изображения фотоаппарата уменьшить, желательно фотографировать зеркало длиннофокусным объективом.
Для того чтобы в зеркале отражалось все небо, достаточно, чтобы угол a был равен примерно 90º.
"Олл-скай" камера монтируется неподвижно или следит за суточным вращением неба. В первом случае шар или конденсорная линза лежит на земле, а фотоаппарат укреплен на треноге или консоли и "смотрит" вниз на зеркало. Во втором случае и зеркало и аппарат установлены на жестком стержне, который укреплен на какой-нибудь экваториальной монтировке. В первом случае удобно использовать систему для фотографирования болидов, полярных сияний, зари, зодиакального света, во втором -- звездного неба, Млечного Пути и т. д.
Рефракторы диаметром 75--100 мм и рефлекторы до 150 мм чаще всего выполняются транспортабельны
Рис. 87. Транспортабельный 320-миллиметровый телескоп. (Рис. 87--91 взяты из журнала Sky and Теlеsсоре.)
ми и не требуют стационарного укрытия. При правильно сконструированной монтировке они без ущерба для жесткости достаточно легки. Такие инструменты выносятся на площадку для наблюдений, а за тем убираются.
Если монтировка снабжена роликами или колесами, то транспортабельным может быть телескоп диаметром до 300, и даже до 500 мм (рис. 87). Однако чаще всего находится много причин, по которым любитель вынужден строить для телескопа надежное во всех
Рис. 88. Любительская обсерватория с откатывающейся крышей.
отношениях укрытие. Рассмотрим некоторые типы укрытий.
Более всего распространен павильон с откатывающейся крышей (рис. 88). В этом случае стены павильона могут быть сделаны из дерева или кирпича. Кладка должна вестись с перевязкой, чтобы свести к минимуму число сквозных вертикальных швов. По углам через 2--3 ряда кирпичей желательно укладывать арматуру из 5--8-миллиметровой стальной проволоки.
Хорошие материалы для стен павильона -- бетон и шлакобетон. И тот и другой укладываются в опалубку, высота которой 50--70 см.
После охватывания слоя через пару дней опалубка снимается и поднимается выше, после чего укладывается следующий слой бетона. Это так называемая "скользящая опалубка". Толщина стены из бетона около 15--20 см. Если же ее армировать стальной арматурой или проволокой, то толщина может быть 8-- 10 см. В каждом городе есть шлаколитые дома. Поговорив со строителями такого дома, читатель узнает нужные подробности.
Если откатывается весь павильон, он должен быть достаточно легким. Обычно это деревянный каркас, обшитый рейкой и кровельной сталью по обрешетке или каркас из стального уголка, покрытый листовой сталью на сварке, наподобие того, как делают индивидуальные гаражи. Крайне нежелательна обшивка фанерой или
Рис. 89. Любительская обсерватория с откидывающейся крышей. Створки крыши уравновешены противовесами.
оргалитом, так как эти материалы быстро вспучиваются, расслаиваются, и павильон принимает крайне непривлекательный вид.
В простейшем случае механизм открывания крыши -- это достаточно прочные шарниры, на которых крыша откидывается в стороны. При этом створки желательно снабдить противовесами (рис. 89).
Описанные механизмы очень перспективны для павильонов небольших инструментов, однако, по традиции чаще строится механизм откатывания крыши на рельсах. Для этого вдоль стен укладываются два рельса, по которым на колесиках с ребордами (закраинами) крыша откатывается в сторону. Чтобы предотвратить сбрасывание крыши, она должна быть снабжена стальными анкерами, которые не мешают ей двигаться в обычном положении, но удерживают крышу от опрокидывания, например при сильных ветрах. На концах рельсов необходимо установить ограничители для предотвращения скатывания крыши в конце пути. Если крыша тяжела, необходимо снабдить павильон небольшой ручной лебедкой.
Достоинством павильона с откатывающейся крышей является большой обзор; это особенно удобно при учебно-ознакомительных наблюдениях новичков или гостей обсерватории. Такой павильон удобен для установки широкоугольных астрографов, метеорных патрулей, кометоискателей. Главное его достоинство -- простота и низкая стоимость, однако, в последние годы появилось много интересных конструкций куполов, и многие любители склоняются к мысли, что при явных преимуществах купола он ненамного сложнее и дороже. Во всяком случае среди новых любительских обсерваторий все чаще встречаются именно купола. Купол надежно защищает телескоп от ветра, предохраняя его от вибраций, недопустимых при фотографических работах с большим фокусным расстоянием и очень неприятных при визуальных наблюдениях. Купол заметно защищает глаза от городского освещения. Имея удобную аэродинамическую форму, купол создает минимум завихрений при ветре, что при прочих равных условиях повышает качество изображения мелких деталей.
Вообще говоря, верхняя часть обсерватории не обязательно должна иметь сферическую форму. Часто -- это цилиндры, перекрытые слегка "вспарушенным" куполом, как это было у большого рефрактора Пулковской обсерватории до Великой Отечественной войны, или конусом, как это сделано у коронографа высокогорной обсерватории Сакраменто Пик (рис. 90). Такая форма облегчает борьбу со снежными заносами, так как даже при относительно слабом ветре снег не задерживается на кровле. Купол может представлять собой два пересекающихся цилиндра, как это первоначально предполагалось сделать для обсерватории Новосибирской станции юных техников в 1962 г. Подобный купол был построен для крупного телескопа обсерватории Стюард (рис. 91).
Конструкция сферического купола любительской обсерватории показана на рис. 92, а, б. Стены башни делаются так же, как и стены павильона. На верхнем поясе башни укладывается рельс, который в данном случае по необходимости согнут в кольцо. Многие любители изгибают его из водопроводной трубы между двумя столбиками, врытыми в землю. Еще проще его заказать в железнодорожном или трамвайном депо, где имеются простые приспособления для гнутья рельсов, уголков, швеллеров и т. п. Если рельс уложен на верхнем поясе башни, то на нижнем поясе купола крепятся
Рис. 90. Конический "купол" с люком, закрываемым створками. Обсерватория Сакраменто Пик.
ролики. Но можно поступить и наоборот: ролики установить на верхнем поясе башни, тогда круглый трек будет служить нижним поясом купола (рис. 92, в). В этом случае вес купола заметно уменьшится, в особенности если вращение купола производится от электродвигателя с редуктором. Однако более плавно работают механизмы поворота с рельсом на верхнем поясе башни и роликами на куполе.
Небольшие купола поворачиваются руками, однако, наблюдателю в этом случае приходится отходить от окуляра или иметь помощника. Гораздо удобнее один из роликов сделать ведомым от редуктора мотора с кнопочным пультом. Конечно, в этом случае электродвигатель должен быть реверсивным, изменяющим направление вращения. Лучше установить на противоположных сторонах башни два ведущих ролика, купол в этом случае движется гораздо плавнее.
Каркас купола может быть сделав из дерева, водопроводных труб, уголка. На рис. 92 дан пример сферического купола (а) и показана деталь изготовления ребра каркаса, склеенного из нескольких слоев 5-милли-метровых реек, которые изгибаются по шаблону
Рис. 91. "Купол", образованный двумя цилиндрами. Обсерватория Стюард.
(рис. 92, б). Для большей надежности после проклейки всех реек столярным, казеиновым или другим клеем (но до высыхания клея) рейки можно соединить мелкими гвоздиками длиной 15--20 мм через каждые 20--30 см. Толщина ребра составит 15--20 мм для куполов диаметром около 4 м, ширина ребра может быть 5--8 см. Надо следить за тем, чтобы стыки реек в каждом ряду шли "в разбежку" со стыками в других рядах. Деревянный каркас обшивается кровельной сталью или листовым алюминием по обрешетке, к стальному каркасу кровля приваривается.
Рис. 92. Один из вариантов купола любительской обсерватории.
а) Конструкция. 1--каркас, 2--деревянная обрешетка, 3--обшивка кровельной сталью. б) Изгибание реек каркаса со склеиванием и сбиванием мелкими гвоздями. в) г--обрезиненный опорный ролик, 2--обрезиненный радиальный ролик.
Купол может быть склеен из стеклопластика. На специально приготовленном шаблоне склеивается сектор купола из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой или полиэфирной смолой НП-1. Чтобы склеенный сектор легко снимался с шаблона, шаблон надо густо смазывать вазелином, автолом и т. п. Толщина слоя составляет-3-- 5 мм. Снятие с шаблонов секторы тщательно обрезаются по краю и склеиваются "в торец" с проклейкой изнутри полосами стеклоткани в 2--4 слоя. Купола получаются очень легкими и достаточно прочными.
Купол независимо от формы имеет люк -- прорезь почти от нижнего пояса купола до зенита. Ширина люка колеблется от 1/4 до 1/3 диаметра купола. Люки меньшей ширины неудобны во многих отношениях. Для небольших куполов пригодны две конструкции открывания люка. Первая из них представляет простые створки на шарнирах, которые откидываются на время наблюдений (рис. 90). Большим преимуществом створок, кроме их простоты, является то, что большая часть люка во время наблюдений может быть закрыта, защищая инструмент от ветра, а глаза от постороннего света.
Однако наиболее перспективно так называемое "забрало", которое по криволинейным направляющим с помощью тросов откатывается назад, почти не нарушая аэродинамики купола. Забрало сравнительно просто в
а)
б)
Рис. 93. Конструкция забрала.
а) Забрало откатывается на роликах по направляющим,
б) забрало уравновешено противовесами.
изготовлении, и потому практически все купола и профессиональных и любительских телескопов теперь снабжаются забралами. На рис. 93, а приведена конструкция простого любительского купола с забралом и пример конструктивного решения механизма движения забрала по направляющим. Можно упростить этот механизм (и заодно обращение с ним), как показано на рис. 93, б. Противовес делает возможным управление от руки даже сравнительно большим забралом.
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТУПЕНЧАТЫЕ ШЛИФОВАЛЬНИКИ
Рис. 94. Ступенчатый шлифовальник.
R -- радиус кривизны, х --высота ступеньки, d1, d2--диаметры ступенек.
Профессионалы обычно применяют металлические шлифовальники. Однако выточить сферический шлифовальник с необходимой точностью -- дело чрезвычайно трудное. Р. Кларк предложил [15], а А. С. Фомин существенно усовершенствовал [4, 6] метод изготовления ступенчатых шлифовальников, которые в первом приближении можно считать сферическими (рис. 94). В ходе шлифовки ступеньки довольно быстро сошлифо-вываются и шлифовальник быстро пришлифовывается к зеркалу.
Прежде всего надо рассчитать диаметры ступенек для заданной их высоты. Обычно высоту каждой ступеньки берут равной 0,05--0,1 мм, при этом пользуются формулой
где di -- диаметр ступеньки, R -- радиус кривизны, х -- высота ступеньки, считая от вершины шлифовальника.
Рассмотрим расчет диаметров ступенек на конкретном примере. Допустим, что нам необходимо изготовить шлифовальник для 150-миллиметрового зеркала с радиусом кривизны 2400 мм (фокусное расстояние 1200 мм). Выберем высоту ступенек равной 0,1 мм. Прежде всего вычислим, чему равно 8R. В нашем случае 8 * 2400 = 19200 мм. Эта величина остается постоянной для всех значений диаметров. Далее умножаем 19200 последовательно на 0,1, 0,2, 0,3 и т. д. и записываем результаты в третью колонку табл. 17 (8Rx). Из чисел третьей колонки извлекаем квадратный корень и результат записываем в четвертую колонку. Это и есть
Т а б л и ц а 17
|
No |
х |
8Rх |
di |
D0-di |
|
1 |
0,1 |
1920 |
43,8 |
106,2 (центр шлифовальника). |
|
2 |
0,2 |
3840 |
62,0 |
88,0 |
|
3 |
0,3 |
5760 |
75,9 |
77,7 |
|
4 |
0,4 |
7680 |
87,6 |
62,4 |
|
5 |
0,5 |
9600 |
98,0 |
52,0 |
|
6 |
0,6 |
11 520 |
107,3 |
42,7 |
|
7 |
0,7 |
13440 |
115,9 |
34,1 |
|
8 |
0,8 |
15360 |
123,9 |
26,1 |
|
9 |
0,9 |
17280 |
131,5 |
18,5 |
|
10 |
1,0 |
19200 |
138,6 |
11,4 |
|
11 |
1,1 |
21 120 |
145,3 |
4,7 |
|
12 |
1,2 |
23040 |
151,8 |
-- |
диаметры ступенек d1. Но при вытачивании шлифовальника на токарном станке нам удобнее пользоваться не размером диаметра ступеньки, а величиной подачи резца, которая равна разности между полным диаметром шлифовальника и диаметром каждой ступеньки. Величину поперечной подачи резца внесем в пятую колонку (D0-di).
В последней графе для высоты ступеньки 1,2 мм величина d1 получается равной 151,8 мм, т. е. больше диаметра шлифовальника, поэтому ограничимся 11-й ступенькой.
Как вытачивать выпуклый ступенчатый шлифовальник?
Устанавливаем в кулачках патрона станка плоскую алюминиевую, латунную, стальную или чугунную заготовку. Протачиваем край заготовки при продольной подаче резца. Закончив чистовую обработку, устанавливаем на лимбе барабана поперечной подачи "0" и надежно фиксируем барабан. В дальнейшем при вытачивании ступенек мы будем начинать движение резца от края заготовки или, иначе говоря, будем начинать вращать барабан поперечной подачи с нуля.
Закрепляем суппорт на продольных направляющих и с помощью верхней каретки подводим резец к плоской стороне заготовки. Обрабатываем, "торцуем" заготовку. После того как получится хорошая плоскость, устанавливаем на лимбе верхней каретки "0" и приступаем к вытачиванию канавок. Для этого, вращая барабан поперечной подачи против часовой стрелки, отводим резец за край заготовки, сделав лишние пол-оборота. Это нужно для того, чтобы во время движения резца к заготовке выбрать "мертвый" ход. Теперь подаем резец вдоль продольных направляющих с помощью барабана верхней каретки на 0,1 мм к передней бабке (влево) -- это высота первой ступеньки. Начинаем вращать барабан поперечной подачи по часовой стрелке, и резец начинает приближаться к заготовке. В тот момент, когда он коснется края, на лимбе барабана должен быть нуль. Теперь наша задача -- продвинуть резец настолько, чтобы диаметр ступеньки стал равен расчетному. Для этого подадим резец на величину, указанную в первой строке пятой колонки. Надо помнить, что действительное перемещение резца в два раза меньше того, что показывает лимб на барабан. Дело в том, что при перемещении резца, например, на 5 мм по радиусу заготовки ее диаметр уменьшается на 10 мм. На лимбе указаны изменения диаметра, а не радиуса, и так как в пятой колонке вычислено изменение диаметра, то мы можем отсчитывать на лимбе именно величины пятой колонки. Обычно один полный поворот барабана соответствует уменьшению диаметра на 10 мм. Поэтому, если в числах пятой колонки перенести запятую на один знак влево, целое число будет показывать число поворотов барабана по часовой стрелке, а дробь после запятой нужно отсчитывать по делениям барабана. Например, при вытачивании первой ступеньки надо сделать 10 полных оборотов барабана и, продолжая вращать барабан, отсчитать 62 деления на лимбе. При вытачивании шестой ступеньки надо сделать четыре полных оборота барабана и отсчитать на лимбе 27 и т. д.
Проточив первую ступеньку, возвращаем резец на место, отведя его несколько дальше края, как и в первый раз. Подаем резец еще на 0,1 мм к заготовке, вращая барабан верхней каретки, и опять подаем резец к центру заготовки по радиусу. На этот раз делаем по часовой стрелке восемь полных оборотов барабана и 80 делений отсчитываем на лимбе. Так, снимая по 0,1 мм и продвигая резец по радиусу с каждым разом все меньше и меньше, мы вытачиваем все 11 ступенек.
Рис. 95. Ступенчатый шлифовальник для 165-миллиметрового мениска.
Из-за большой кривизны мениска высота ступенек выбрана равной 0,5 мм. Обратите внимание на монотонно уменьшающееся расстояние между ступеньками от центра к краю.
Нужно следить за тем, чтобы резец был хорошо заточенным, а образующийся нагар нужно убирать сразу, как только резец отведен за край заготовки в исходное положенное. После окончания протачивания ступенек на краю шлифовальника надо сделать фаски. Ширина ступенек монотонно уменьшается к краям (рис. 95). Если в этой, легко обнаруживаемой закономерности окажутся один-два сбоя, то это не очень страшно, так как во время шлифовки образуется единая сферическая поверхность и одна из несошлифовавшихся канавок существенно не повлияет на форму зеркала. Обдирать заготовку зеркала можно сразу на ступенчатом шлифовальнике. Но, для того чтобы не "срезать" вершину шлифовальника, шлифовку надо вести как через центр, так и по хорде, следя из тем, чтобы ступеньки шлифовальника сошлифовывались одинаково по всей его поверхности. Однако можно начать обдирку зеркала и с помощью трубчатого шлифовальника, а уже потом начать шлифовку на шлифовальнике.
В заключение заметим, что толщина металлического шлифовальника должна быть такой же, как и толщина зеркала. Во-вторых, формула, приведенная в начале параграфа для вычисления диаметров ступенек, справедлива для параболоида. Так как наше зеркало очень мало отличается от параболоида, во время шлифовки этой разницей можно совершенно пренебречь. Однако в тех случаях, когда читатель захочет выточить ступенчатый шлифовальник для шлифовки линз большой кривизны, придется воспользоваться точной формулой для сферы, так как при значительных радиусах кривизны отступления параболоида от сферы значительны. В этом случае диаметр ступеньки вычисляется по формуле
При вытачивании вогнутых шлифовальников расточка ведется от просверленного в центре отверстия диаметром 6--8 мм для больших и 2--3 мм для малых шлифовальников. Величина подачи резца (к себе) берется из четвертой колонки таблицы. Пятая колонка в этом случае не нужна.
2. ШЛИФОВАЛЬНО - ПОЛИРОВАЛЬНЫЕ СТАНКИ
Читатель, знакомый с механическими работами, и уж, наверное, кружок телескопостроения могут сделать себе шлифовальную машину, работа на которой значительно приятнее ручной обработки зеркала. Так как машина освобождает руки любителя, он может во время шлифовки зеркала значительную часть времени высвободить для других целей. Машина позволяет увеличить давление и, следовательно, скорость обработки зеркала. Скорость обработки возрастает еще и потому, что при машинной обработке гораздо больше времени идет как "чистое" время шлифовки, тогда как при ручной много времени тратится непроизводительно. Наконец, станок позволяет чище и качественнее выполнить шлифовку и полировку.
Как правило, все шлифовально-полировальные станки имеют две главные детали--шпиндель, на котором вращается шлифовальник, и поводок, который заставляет зеркало совершать поступательные движения. Рассмотрим кинематическую схему простого станка (рис. 96).
Электродвигатель 1 мощностью 50--100 ватт через редуктор приводит во вращение вал кривошипа 2. Кривошип заставляет через шатун 3 качать "хобот" 4 с поводком 5. Поводок заставляет качаться зеркало 6, Хобот, так же как и шатун, должен иметь возможность изменять длину, для того чтобы можно было шлифовать по хорде и через центр, а шатун -- чтобы можно было менять вынос поводка. Для изменения размаха меняется радиус кривошипа. В одних конструкциях радиус меняется перестановкой оси кривошипа в несколько отверстий, просверленных на разных расстояниях от центра кривошипа, в других возможно плавное перемещение кривошипа по направляющим.
На вал кривошипа надета звездочка для цепи Галя от велосипеда, на валу шпинделя 7 -- вторая звездочка. Очень важно, чтобы передаточное отношение между звездочками не равнялось целому числу (2, 3 и т. д.), чтобы шлифовальник двигался все время по различным азимутам, не проходя дважды по одному и тому же.
Во время обдирки и в меньшей степени по время тонкой шлифовки и полировки на поводок устанавливается достаточно большой груз 8. Его масса может достигать нескольких килограммов. Поэтому все узлы машины, особенно валы кривошипа и шпинделя, оси и хобот с шатуном должны быть достаточно жесткими.
Во время машинной обработки надо внимательнее следить за влажностью шлифовальника и зеркала. На машине они высыхают быстрее из-за более интенсивной работы. Высохший же абразив может стать причиной царапин, и более того, если зеркало присосется к шлифовальнику, поводок может выскочить из гнезда и повредить зеркало. Чтобы предотвратить последнюю неприятность, Р. Кокс предложил делать шайбу, наклеиваемую на зеркало, придавая ей форму, показанную
Рис. 96. Шлифовально-полировальные станки.
а) Общий вид шлифовально-полировального станка для зеркал диаметром до 150 мм. б) Кинематические схемы: 1--электродвигатель, 2-- кривошип, 3 -- шатун, 4--"хобот", 5--поводок, 6--обрабатываемое зеркало, 7 -- вертикальный шпиндель. в) Регулируемый кривошип. г) Шайба, наклеиваемая на зеркало.
на рис. 96, г. Как видно, если сейчас поводок выскочит из гнезда, он останется на шайбе.
Для того чтобы абразив легче распределялся по шифовальнику, Кокс предлагает добавлять в суспензию немного моющего средства типа стирального порошка.
Д. Д. Максутов приводит [3] формулу максимальной скорости вращения шпинделя шлифовальной машины при обработке зеркал разного диаметра:
об/мин,
где D -- диаметр зеркала в мм.
3. ЛИТЕЙНЫЕ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ЛЮБИТЕЛЯ
Рис. 97. Разнимаемая на две половинки деревянная модель вилки.
Литье позволяет сравнительно простыми средствами получить детали достаточно сложной конфигурации. Для организации литья необходима электромуфельная печь. Металл расплавляется в тигле, который представляет собой стальную цилиндрическую или прямоугольную емкость со стенками 3--5 мм толщины. Для выемки тигля из печи нужны клещи с длинными ручками или сантехнический "французский" ключ достаточно большого размера. При выемке тигля с расплавленным алюминием или латунью надо быть крайне осторожным.
Для изготовления литейных форм из земли необходимо запастись литейным песком, который без особого труда можно достать в любом литейном цехе. Если же такого цеха поблизости нет, можно обойтись супесчаником, который представляет собой природную смесь песка и глины. Супесчаник немного увлажняется до такого состояния, когда он только начинает "держать" форму. Для проверки берем горсть супесчаника и сжимаем в руке. После этого земля должна сохранить в основном форму и следы морщин на руке. Чрезмерное количество воды крайне нежелательно, так как во время заливки металла будет выделяться пар, который образует в детали пустоты и раковины.
Наконец, нужно установить формовочный стол, на котором будут изготавливаться земляные формы. Этот
Рис. 98. Формовка
1 - опока, 2 -- формовочная земля, 3 -- модель, 4 - душник, 5 -- трамбовка.
стол должен стоять в непосредственной близости к печи. Его поверхность должна быть достаточно гладкой.
Литье осуществляется в земляные формы, представляющие собой деревянные ящики без дна (опоки), набитые литейным песком (землей) с полостью, которую заполняет металл. Эти полости образуются с помощью моделей, изготавливаемых обычно из дерева. Для того чтобы металл попадал в форму, в земле делается литник, а для выхода горячего воздуха и газов из формы она снабжается выпорами, куда выходит и излишек металла.
Деревянные модели обрабатываются обычным инструментом по дереву и собираются на клею и гвоздях. Возможно применение в неответственных местах небольшого количества пластилина. Для того чтобы модель легко вынималась из земли, ее боковые поверхности имеют формовочные уклоны ("конусность"), вся модель перед началом формовки посыпается тальком (детской присыпкой).
Рис. 99. Накладывание второй половинки модели на первую.
1 -- модель, 2 -- штыри.
Рис. 100. Завершение формовки.
1 -- замки опок, 2 -- модели литника и выпоров.
Рис. 101, Укладка заформовываемых деталей. 1--заформовываемые детали.
Рис. 102. Заливка металла.
Порядок формовки и литья подробно показан на рис. 97--101. Кратко опишем его.
1. Устанавливаем на подмодельный стол одну из половинок модели (рис. 97).
2. Устанавливаем нижнюю опоку 1 (рис. 98), припудриваем модель 3 тальком. Через сито наносим на модель мелкий (облицовочный) песок или тальк. Насыпаем лопаткой формовочную землю 2 с трамбовкой сначала возле модели и стенок и углов опоки.
3. Засыпаем остальную часть земли с утрамбовкой сначала острым, а потом плоским концами трамбовки. Срезаем линейкой лишнюю землю сверху нижней опоки.
4. Накалываем душником 4 вентиляционные каналы вблизи модели.
5. Переворачиваем нижнюю опоку на 180º вместе с моделью.
6. Устанавливаем верхнюю часть модели с помощью штырей (рис. 99). Наносим на модель тальк.
Рис. 103. Отделка отлитой детали. 1 -- деталь, 2 -- выпоры, 3 -- удаляемая часть заформованной детали.
7. Устанавливаем по штырям верхнюю опоку (рис. 100), модель литника и модель выпоров.
8. После нанесения на модель сеяного через сито песка набиваем опоку землей, трамбуем, накалываем вентиляционные каналы, срезаем линейкой излишки земли сверху опоки.
9. Разнимаем опоки.
10. С помощью вворачиваемого в половинку модели шурупа вынимаем модель, осторожно постукивая по ее периметру.
11. Отделываем и производим мелкий ремонт обеих форм. Укладываем заформовываемые детали (рис.101), вынимаем модели литника и выпоров.
12. Накрываем нижнюю опоку верхней с совмещением их с помощью винтов (рис. 102). Затем форму надо тщательно просушить.
13. Заполняем форму расплавленным металлом, даем отливке остыть и вынимаем ее через 40--50 минут после залива металла
14. Зачищаем деталь (рис. 103) напильником с удалением ножовкой выпоров и литника 2.
При изготовлении деталей литьем возможна заформовка других деталей, сделанных из более тугоплавкого материала. Чаще всего это стальные оси, втулки, корпуса осей и т. п.
На примере изготовления вилки литьем (см. рис. 101) мы познакомились с заформовкой полярной оси и полуосей склонений. Аналогичным образом соединяются ось склонений и фланец для крепления трубы телескопа, корпус полярной оси и вертикальной стойки и т. п.
4. НЕМНОГО О ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
Давно канули в Лету времена, когда любитель, шлифуя свое зеркало, ходил вокруг бочки, устраивал теневой прибор из керосиновой лампы или сколачивал монтировку и трубу из теса.
Большинство любителей может при желании воспользоваться металлообрабатывающими станками, которыми оснащены школы, дворцы пионеров, станции юных техников, не говоря уже о ПТУ, техникумах или вузах. Современный любитель настолько оснащен техникой, что приходится принять некоторые меры предосторожности, чтобы эта техника не стала причиной неприятности.
Одно из самых обязательных условий работы на металлообрабатывающих станках -- меры защиты от поражения электрическим током. С этой целью совершенно необходимо, чтобы станок был надежно заземлен. Важно, чтобы подключение и заземление станка выполнял специалист-электрик. Автору известен случай, когда квалифицированный любитель с большим стажем из-за беспечности подвергся серьезным ожогам электрическим током напряжением 380 В и только благодаря счастливой случайности остался жив.
Обычно не придают большого значения тому, что работа на токарных, сверлильных, фрезерных станках обязательно должна вестись в защитных очках. Даже среди профессиональных металлистов-лихачей попадаются люди с поврежденным зрением.
Ни в коей мере нельзя производить замеры детали, не остановив станка. Нельзя смахивать стружку рукой при работающем станке. Дело в том, что при быстром вращении фрезы, ее внешние части становятся мало заметными. При токарных работах стружку, особенно стальную, надо убирать только стальным крюком и только после остановки станка. Автор сам не раз становился жертвой собственного легкомыслия, прежде чем осознал, что стальная стружка гораздо прочнее на разрыв, чем может показаться неискушенному токарю, поэтому убирать ее можно только крюком, если не хотим, чтобы наши руки постепенно покрывались глубокими шрамами.
Устанавливая деталь в патроне передней бабки токарного станка, надо закрепить ее надежно, а если деталь длинна, то упереть ее конусом задней бабки. Закрепляя деталь в патроне, надо следить за тем, чтобы кулачки патрона не выступали больше чем на 15-- 20 мм. Если диаметр детали велик, нужно не полениться и заменить прямые кулачки на обратные.
Ни в коем случае нельзя сверлить детали, особенно мелкие, держа их руками. Детали должны закрепляться в тисках.
Везде, где только это возможно, не следует применять слишком большие скорости вращения детали или режущего инструмента.
Особо следует сказать о технике безопасности во время литейных работ. Литейщик-любителъ должен работать в защитных очках, в достаточно толстых рукавицах, поверх одежды должен быть надет фартук из толстого материала, на ноги лучше надеть валенки.
Все это нужно для того, чтобы случайные брызги не могли быстро прожечь одежду.
Прихват, с помощью которого горячий тигель вынимается из печи, должен быть прочным и надежным. Хорошо перед погружением в печь тигель, уже загруженный металлом, повертеть в руках с помощью прихвата, проверив надежность последнего.
Форма должна устанавливаться достаточно низко, чтобы случайно пролитый металл оказался сразу на полу. Для того чтобы он не растекался и не повредил пола, надо на полу, где устанавливается форма, участок выложить кирпичом, на который положить лист стали с невысокими бортами. Сверху стального листа насыпается слой песка толщиной 2--3 см.
Нельзя вынимать деталь из формы, пока она не остынет до комнатной температуры.
Среди многих современных материалов немало токсичных. Их токсичность невелика, но некоторые меры предосторожности все-таки необходимы.
Начнем с каменноугольного пека, который может быть заменен битумом или сапожным варом. Все три вещества при их нагревании выделяют вредные для организма летучие углеводороды. Правда, при приготовлении 1--2 кг смолы их выделяется не так уж много, но лучше, чтобы смола варилась на открытом воздухе, а если в комнате, то обязательно с проветриванием.
Очень удобный в работе эпоксидный клей, продаваемый в магазинах хозяйственных товаров, также небезопасен, когда применяется в больших количествах. Надо стараться, чтобы он не попадал на кожу, и поэтому работать с ним желательно в резиновых перчатках. Во время полимеризации эпоксидной смолы выделяются вредные пары, поэтому помещение, где работают с эпоксидной смолой, должно проветриваться. Очень осторожно надо обрабатывать затвердевшую смолу, опилки не должны вдыхаться или попадать внутрь, например с пищей. При шлифовке на эпоксидном шлифовальнике отработанный шлам надо смывать сразу в канализацию.
Есть некоторая опасность в работе с полиритом. В его состав входят примеси радиоактивного тория. Хотя радиоактивность тория невелика, нужно и здесь соблюдать меры предосторожности, следя за тем, чтобы полирит не попадал внутрь при вдыхании, при курении, во время еды, если руки не вымыты.
Азотнокислая медь также относится к токсичным веществам и во время работы с ней следует быть тоже осторожным.
Вообще же все эти вещества довольно широко применяются и в быту и в производстве. Количества этих веществ при изготовлении зеркала не так уж велики, и если автор обратил внимание читателя на известную осторожность, то только для того, чтобы читатель не проявил полной беспечности, имея дело с ними.
ЛИТЕРАТУРА
1. Михельсон Н. Н. Оптические телескопы: Теория и конструкция.-- М.: Наука, 1976.
2. Максутов Д. Д. Астрономическая оптика,-- М.; Л.: Наука, 1979.
3. Максутов Д. Д. Изготовление и исследование астрономической оптики.--Л.; М.: ОГИЗ-Гостехиздат, 1948.
4. Навашин М. С. Телескоп астронома-любителя.--4-е изд.-- М.: Наука, 1979.
5. Любительское телескопостроение. Сб. статей/Сост. М. М. Шемякин; Под ред. М. С. Навашина.-- М.: Наука, 1964.
6. Любительское телескопостроение. Сб. статей, вып. 2/Сост. М. М. Шемякин. Под ред. М. С. Навашина,-- М.: Наука, 1966.
7. Любительские телескопы. Сб. статей/Под ред. М. М. Шемякина.-- М.: Наука, 1975.
8. Максутов Д. Д. Теневые методы исследования оптических систем.-- М.; Л.: ОНТИ, 1934.
9. Максутов Д. Д. Оптические плоскости, их исследование и изготовление.--Л., 1934.
10. Дмитров Г. и Бэйкер Д. Телескопы и принадлежности к ним/Перев. с англ.-- М.: Гостехиздат, 1947.
11. Мельникое О. А., Слюсарев Г. Г., Марков А. В., Купревич Н. Ф. Современный телескоп.-- М.: Наука, 1975.
12. Сулим А. В. Производство оптических деталей.-- 2-е изд., дополн.-- М.: Высшая школа, 1969.
13. Вокулер Ж., Тексеро Ж. Фотографирование небесных тел: Перев. с франц.-- М.: Наука, 1967.
14. Аmateur Теlеsсоре Маking: Вооk оnе/Еd. А. Ingalls.--Sсientific American Inc., 1951.
15. 14. Аmateur Теlеsсоре Маking: Вооk two/Еd. А. Ingalls.--Moon and Co., 1952.
16. Аmateur Теlеsсоре Маking: Вооk three/Еd. А. Ingalls.--Sсientific American Inc., 1953.
17. Fagen E. Sоmе Thrее-Yеаr Sidereal Drive Arrangements.- Skу аnd Теlеsсоре, 1967, v. 34, No 1.
18. Hаmоn. А. А Таngent Аrm with а Sреciаllу Сut Саm.--Skу аnd Тelesсорe, 1978, v. 55, No 6.
19. Shееhan W. Setting Сirсles Маdе аt Ноmе,-- Skу аnd Теlеscope, 1974, v. 48, No 2.
20. Маgее R. Рinhole аnd Knifе-Еdgе -- Ноw Fаг Арагt?--Skу аnd Теlеsсоре, 1974, v. 48, No 3.
21. Моbsbу Е. А Rоnсhi Null Теst for Раrаbоloids,-- Skу аnd Те-lеsсоре, 1974, v, 48, No 5.
22. Маttеwcon. G. Соnstruсting аn Аstrоnоmicаl Теlеsсоре.-- London аnd Glasgow: Вlackie аnd Son Limited.
23. Куликовский П. Г. Справочник любителя астрономии.-- 4-е изд., перераб. и дополн.-- М.: Наука, 1971.
24. Климишин И. А. Астрономия наших дней.--2-е изд., пере-раб. и дополн.-- М.; Наука, 1980.
25. Коваль В. И. Приборы "Службы неба".-- Земля и Вселен-ная, 1979, No 1.
26. Аshbrооk J. L. Fоuсаultacutes Неritagе tо Теlеsсоре Маking-- Sky аnd Тelescope 1975, v. 50, No 1.
27. Сох R. Sоmе New Illuminated Finders.-- Sky аnd Тelescope , 1975, v. 49, No 3.
Last-modified: Fri, 08 Dec 2000 17:09:52 GMT