Зеркала из нержавеющей стали для самодельного телескопа Кассегрена (стр. 1 из 5)

Зеркала из нержавеющей стали для самодельного телескопа Кассегрена

Черновал Владимир Анатольевич

Памяти отца - учителя и товарища Черновала Анатолия Ивановича

Feci, quod potui, faciant, meliora potentes.

Сделал, что мог, и пусть, кто может, сделает лучше.

Любители телескопостроения в качестве материала для своих зеркал в настоящее время используют стекло. И это оправдано. Обработка стекла, оптические качества которого не играют никакой роли, сравнительно несложна, и оно хорошо принимает полировку. Металлическое покрытие, тускнеющее со временем, легко возобновляется.

Вместе с тем, опрометчивым будет утверждение, что стекло, в случае небольших любительских телескопов, является лучшим материалом для астрономических зеркал.

Условия, предъявляемые к стеклу, сводятся к двум основным: стекло должно быть хорошо отожженным (не закаленным) и иметь достаточную толщину. Третье, желательное, его свойство - это возможно малый коэффициент теплового расширения. Дело в том, что при перепадах температуры воздуха температура внешних и внутренних слоев зеркала в силу низкой теплопроводности стекла выравнивается очень медленно. Образующиеся механические напряжения искажают не только его размеры и кривизну, но и форму, особенно его краевой части ("эффект края").

Иллюминаторное стекло (наиболее ходовой сорт стекла в любительском телескопостроении) сполна подвержено этой деформации. Достать же заготовку из специального оптического стекла для большинства любителей - непреодолимая трудность. Но если материал обладает достаточно большой теплопроводностью, то при изменении температуры окружающей среды размеры и кривизна зеркала будут меняться, но форма его поверхности останется прежней.

Такому типу материалов соответствуют металлы.

Очевидно, что стекло служит лишь опорой для тончайшего (0, 5 - 2 мк) металлического покрытия, без которого оно, безупречно отполированное, отражает 4 - 5% падающего на него света. Раз так, то придав цельнометаллической опоре (например, из нержавеющей стали) зеркальную оптически точную поверхность, мы получаем двойной выигрыш, а именно: используем материал с большой теплопроводностью и избавляемся от необходимости нанесения металлического покрытия, требующего аппаратуры, недоступной для любителя при работе в домашних условиях.

Этот путь и избрал автор, вручную изготовивший зеркала для кассегреновского телескопа - главное, параболоидальное, диаметром 185 мм, и вторичное, 56-миллиметровое.

Главное зеркало телескопа Кассегрена определяет его действующее отверстие, вторичное преображает сходимость пучка света. Главное зеркало имеет центральное отверстие, сквозь которое вторичное зеркало направляет отраженные им лучи, идущие от главного зеркала, в фокальную плоскость системы.

Вторичное, негативное, зеркало, подобно линзе Барлоу, увеличивает фокусное расстояние главного зеркала в несколько раз (рис.1).

1 - главное зеркало; f - фокусное расстояние главного зеркала; F – фокус системы, 2 - вторичное зеркало; S и S1 - сопряженные отрезки: S - расстояние от вершины гиперболического зеркала до фокальной плоскости главного зеркала, S1 - расстояние от вершины гиперболического зеркала до фокальной плоскости всей системы (эквивалентного фокуса); d – расстояние от вершины главного зеркала до эквивалентного фокуса (зависит от толщины зеркала и дна оправы и желательного выноса фокальной плоскости), Δ – расстояние между главным и вторичным зеркалами; 3 – светозащитная трубка; M N и M ′ N ′ - соответственно линейные размеры поля зрения фокальной плоскости главного зеркала и эквивалентной системы

При расчете системы Кассегрена исходят из размера главного зеркала D (в нашем случае – 185 мм), его фокусного расстояния и относительного отверстия, соответственно 925 мм и 1/5. Радиус кривизны главного зеркала R = 1850 мм

(925 × 2) .

Положение полюса вторичного зеркала на оптической оси (фактор положения) характеризует отношение: α = f / s. Рекомендуется выбирать от 3 до 5. В данном случае α – 4.

Увеличение фокусного расстояния на вторичном зеркале (фактор увеличения) у нас равно: M = (s1/ s) 3, 65. Эквивалентное фокусное состояние системы = 3376 мм (3, 65×925)

Диаметр отверстия в главном зеркале не должен превышать треть его диаметра, иначе дифракционное изображение звезды в телескопе будет искаженным (в нашем случае – 60 мм).

Диаметр вторичного зеркала определяется его положением на оптической оси. При использовании поля зрения 0, 5º

(в нашем случае) диаметр его согласно формуле:

Радиус кривизны вторичного зеркала, определенного по формуле Гаусса:

фокусное расстояние вторичного зеркала = - 318 мм;

стрелка кривизны вторичного зеркала (измеряется в шлифовальнике):

S = 231 мм; Δ= 694 мм; d = 150 мм, S1 = 844 мм;

Обработка нержавеющей стали вручную очень сложна. Не менее сложна и трудоемка фигуризация (ретушь) - придание зеркалу точной оптической поверхности. Автору при этом придавал духу обнадеживающий пример: его отец Черновал Анатолий Иванович, художник и любитель астрономии, в 1970-е годы на досуге изготовил два сферических зеркала 150 и 250 мм диаметром. Не в последнюю очередь сама сложность задачи побудила автора взяться за дело.

В специальной литературе, посвященной вопросам любительского телескопостроения, которую штудировал, с которой "советовался" автор (см. библиографию), металл в качестве материала для астрономических зеркал не рассматривается. Причина в том, что "… металлы в настоящее время не используются в любительской практике" (3).

Единственное переводное издание по рассматриваемой теме, которое автор имел на руках, представляет собой лаконичное наставление по изготовлению 75-миллиметрового сферического зеркала из дюралюминия. Нержавеющая сталь упоминается в нем лишь как повод сообщить о неком американском любителе, который делал из этого металла "прекрасные зеркала" (4).

Таким образом, автор в ходе работы не раз прибегал к опыту отца, к тому же многие вопросы решал самостоятельно, на практике отбирая наиболее целесообразные приемы воздействия на трудно подающийся обработке и часто "непослушный" материал.

Традиционная технология изготовления астрономического зеркала заключается во взаимном притире двух дисков, поперечники которых равны.

Получение вогнутого и выпуклого зеркал для кассегреновского телескопа основано на простом принципе. Суть его в следующем. При смещении одного диска относительного другого давление (от веса зеркала и нажима рук работающего) распределяется неравномерно: на нижнем диске оно возрастает по направлению к краю, на верхнем - усиливается в центре. Поверхности притираемых дисков приобретают кривизну: нижний диск постепенно становится выпуклым, верхний - вогнутым.

Форма же углубления зависит от характера движений верхнего диска по нижнему. Достижение правильного сферического углубления возможно при соблюдении определенных условий. Это, во-первых, поворачивание одного диска вокруг другого и, во-вторых, вынос верхнего диска с нижнего не должен превышать треть его радиуса при движении (называемом на техническом языке штрихом) в каждую сторону.

Однако, эта, "классическая", технология, вполне пригодная при обработке вручную стекла, применительно к нержавеющей стали на начальном этапе из-за мизерной производительности - сущее разбазаривание труда и времени. Чрезмерные трудности способны отпугнуть и любителя, более терпеливого, чем библейский Иов.

Решение проблемы - в предварительном придании заготовкам грубой, приблизительной формы способом, речь о котором впереди.

Процесс изготовления металлического зеркала для любительского телескопа делится на ряд этапов: черновая обработка заготовок, грубое шлифование, тонкое шлифование, полирование и фигуризация.

А теперь - к делу.

Из листовой нержавеющей стали случайного происхождения в результате применения газосварочной горелки и задействования металорежущих станков вышли два диска-близнеца диаметром 185 мм и 15 мм толщиной.

На лицевой и задней сторонах одного из них, предназначенного для будущего главного зеркала, были проточены кольцевые канавки с двухмиллиметровой перемычкой между ними для центрального отверстия, через которое отраженный вторичным зеркалом свет попадает в окуляр.

На другом диске, который готовился в качестве инструмента для обработки, были профрезерованы канавки в двух взаимно перпендикулярных направлениях, разбивающие поверхность на квадраты со стороной в 30 мм. Назначение канавок - обеспечить легкое, равномерное распределение абразива на шлифовальнике во время работы; компоновка их - ассиметрична по отношению к центру (рис.2).

Рис.2

Подготовленные таким образом диски предстояло обработать начерно: придать поверхности будущего зеркала вогнутую форму, будущего шлифовальника - выпуклую.

Наиболее экономичной является обработка заготовок на токарном станке, которая придает поверхности ступенчатую форму, причем огибающая ступеньки представляет собой сферу нужной кривизны (1, 3).

Рис.3

Такой возможности автор не имел.

В брошюре К.Л.Стонга рекомендуется для получения углубления в заготовке применить шабер (4). Это оправданно при работе с дюралюминием, но не приемлемо при обработке значительно более твердой нержавеющей стали.

Автор обратился к способу, предложенному в свое время его отцом: применение саблевидных напильников. В заводских условиях, в "термичке" круглые и полукруглые драчевые напильники отпускались, им придавалась изогнутая, саблевидная, форма, затем они подвергались повторной закалке. Шлифовальник, понятно, обрабатывается плоскими напильниками.