Тема: ПОСТРОИТЬ ТЕЛЕСКОП ПРОСТО.

[олег]

Вот решил я взяться за перо, то есть за клавиатуру, и выдать про телескоп.

[Дениска]

Очень,очень интересно.

[олег]

                                                        ПОСТРОИТЬ ТЕЛЕСКОП ПРОСТО!
                                                                    1.ПРЕДИСЛОВИЕ.
Этот рассказ посвящен  постройке телескопа-рефлектора с 300-мм параболическим зеркалом. Такое смелое название «Построить телескоп просто» в полной мере отражает мое видение этого  увлекательнейшего процесса.  Немного забегая вперед  скажу, что постройка зеркального телескопа проходила в кустарной обстановке, которую только можно представить. Использовался весь подручный материал, который буквально валяется  под ногами. Было найдено много простых решений в шлифовке и конструкции фермы. Цикл постройки рефлектора можно назвать полным, он включает в себя изготовление оптики, монтировки и нанесение отражающего покрытия.
   
Я, как и многие из вас, начал увлекаться астрономией с детства. В 80-х годах моими спутниками были бумажная труба из очковых стекол и 8-кратный монокуляр. 300-мм телескоп в ту пору казался какой то не сбыточной мечтой. В нашем городе (Новокузнецке) в местом планетарии был астрономический  кружок. Одного из руководителей этого кружка мне хотелось бы упомянуть особенно—это Петров Андрей Николаевич—редчайшей увлеченности человек, настоящий мастер в области изготовления, проектирования и расчета оптических систем, причем не имея специального образования в этой сфере,— настоящий любитель астрономии (рис.1).  Я много времени проводил  в его мастерской, иногда помогал ему в постройке телескопов.
                                                           
Спустя 20 лет интерес  к изготовлению оптики у меня вновь оживился. Этому способствовало прочтение книг  Чикина и Максутова. В трудах этих авторов самым удивительным образом переплетаются простота и доступность изложения сложных технических вопросов в сочетании с изяществом и мастерством. Читая такие книги, в буквальном смысле начинаешь слышать голос автора. Максутов  пишет о том, что проводя ретушь, он не спешит получить результат, а начинает изменять характер полировки, наблюдая за  профилем рельефа, по его выражению «проявляется некое таинство теней» . Несомненно то, что полировка параболического зеркала приносит неописуемое  удовольствие. Само осознание того, что своими руками характер воздействия на оптическую поверхность сравнимы с величиной  в доли микрона и то, что этими малыми величинами можно управлять, сравнимо  с осознанием глубины Вселенной. А теневые картины не менее захватывающее зрелище, чем кольца Сатурна.

Телескопостроение - не от безысходности, это не гонка, нацеленная на конечный результат,-- это романтика. К тому же дающая много практически ценных навыков. Проектирование и расчет, умение работы с инструментом и осмысливание процесса, выработка терпения  и нацеленность на конечный результат – это трудно переоценить. Я бы рекомендовал телескопостроение для людей в возрасте с 16-20 лет. Молодой человек, построивший своими руками рефлектор, — готовый инженер.

Бытует мнение, что первое зеркало должно быть 100-120мм с большим фокусным расстоянием. Это как раз то, что можно назвать «нацеленность на конечный результат». Такие зеркала имеют такие огромные допуски, что вообще не требуют теневого контроля. Идя этим путем можно сразу рекомендовать купить готовый телескоп. Я изготовил первое зеркало диаметром 165 мм с относительным отверстием 1:3,5 специально для приобретения навыков параболизации перед изготовлением 300мм зеркала. И скажу, что первое изготовить оказалось сложнее. И даже, возьмусь утверждать, что изготовить 300мм параболическое зеркало с относительным отверстием 1:5 доступно  с первого раза.

Первоначально я планировал закончить 300мм зеркало за 6 месяцев, а вышло за 2. Монтировку и ферму выпилил из фанеры за 2 недели и любовался Луной, которая прекрасно отражалась от не покрытой зеркальным слоем поверхности зеркал.

Хочу выразить особую благодарность товарищам по астрономии: Артему Читайло за подаренную заготовку диаметром 300мм и толщиной 30мм из стекла марки пирекс и Денису Хавкунову за предоставленные хим. реактивы для серебрения. А также Павлу(Azatot) за то, что он хранил долгие годы эту ценную заготовку. Без такой поддержки появление 300мм рефлектора вряд ли состоялось бы.

Телескоп успешно функционирует более 2 лет. На загородном небе прекрасно показывает звездные поля и туманные объекты. Правда по планетам он не превосходит МШР-60. Конструкция оказалась настолько удачной, что за это время не потребовалось никакой доработки. Серебряный слой менял в прошлом году, хотя в этом особой необходимости и не было.

Далее более подробно опишу процесс изготовления телескопа, включающего все этапы: шлифовка и полировка главного зеркала, изготовление фермы и серебрение  зеркала.

Все методы доказали свою надежность временем и они настолько просты, что легко воспроизводятся в домашних условиях. Надеюсь, что мой опыт станет руководством для тех, кто не лишен изобретательности и смелости, для тех, у кого все в порядке с силой воли и кто готов взяться за постройку 300мм рефлектора сразу. Уверяю, что наградой будет не только прекрасный телескоп, но и много других приобретений.

Олег Яворский 2012г.

Рис.2. Слева-я, справа - «отец отечественного телескопостроения» Л.Л. Сикорук. 2007г

[олег]

Рис.1. А.Н.Петров на фото слева.

[олег]

                                                    2.ШЛИФОВКА ГЛАВНОГО ЗЕРКАЛА.
      Надо сказать сразу, что шлифовка наименее интересная часть работы, здесь в полной мере проявятся требования к терпеливости. Если судить по времени, то шлифовка отнимает почти одну треть. Это грязный и малопроизводительный этап. Я делал так. Взял корундовый камень, черного цвета, судя по тому, что затачивая ножи, от него отделялось мало крупинок, он показался мне прочным. Заворачивая его в тряпку, ударами молотка разбил его на кусочки, затем просеял через  сито, а крупные фрагменты перетирал между стальными пластинами. Так я получил абразив для шлифовки. К массивной табуретке саморезом прикрутил поворотный столик, на котором в трех ограничителях закреплялась заготовка зеркала (рис.2.1).

Шлифовальником послужило чугунное кольцо от плиты  старой печки диаметром 100 мм (рис.3).

Теперь, расположившись на диване и, поставив перед собой такой примитивный шлифовальный станок можно начинать грубую шлифовку. Громкий стеклянно-металлический хруст порой заглушал даже голос  телевизора, за что пришлось выслушать много нареканий домочадцев. Как только хруст сменялся на шипение, это значило, что водно-абразивная смесь измельчала и требуется добавление новой порции. Процесс шел громко, тяжело и медленно. За вечер с перерывами на отдых можно было работать 2 часа, а скорость шлифовки была 0,5 мм/час и она не зависела от скорости перемещения шлифовальника и от давления на него. Уже после нескольких порций, отмыв зеркало, стал виден просвет под линейкой, приложенной к матовой поверхности и  указывающий на появление вогнутости. Расчетная стрела прогиба составляла 4 мм. Рассчитать ее можно по формуле
        х=D2/16F,        (1), где D2 - квадрат диаметра зеркала, F -фокусное расстояние.

Выбор фокусного расстояния заключен между двумя крайностями. С одной стороны:  чем оно больше, тем более мягкими становятся допуски на точность поверхности и меньше сказываются аберрации. Но увеличение фокусного расстояния ведет к потере компактности телескопа. Хороший выбор лежит между относительным отверстием 1:5 и 1:6. В моем случае фокусное расстояние 1300мм и относительное отверстие 1:4,5, аберрация комы уже становится хорошо заметна на краю поля зрения, хотя взамен я получил короткую трубу и возможность вести наблюдения сидя на стуле, что очень даже удобно.

Вначале шлифовка велась прямым штрихом, при этом шлифовальник перемещался через центр зеркала без выноса за край. Зеркало постепенно поворачивалось по азимуту с такой скоростью, что бы в пределах сектора 45 градусов укладывалось 4-5 штрихов. Такой способ шлифовки можно применять только в начале, т.к. наиболее активно сошлифовыватся  центральная часть. Очень скоро недошлифованность крайней зоны стала выглядеть в виде кольца с матовостью меньшей зернистости (рис.4).

[олег]

Исправить положение можно перейдя на эллиптический штрих, при котором шлифовальник перемещается по эллипсу с соотношением осей 1:3, так же без выноса за край зеркала. Стрела прогиба медленно, но верно увеличивалась от вечера к вечеру. И вскоре стало возможным применить оптический метод контроля, используя отражение от мокрого зеркала. Закрепив яркий фонарик на стене, и обильно облив зеркало водой, можно получить отраженное изображение  рядом с фонариком. Расстояние до зеркала – есть радиус его кривизны, равный двум фокусным расстояниям. Как выяснилось позже, фокусное расстояния задается только на этапе грубой шлифовки и притирки, и на последующих стадиях тонкой шлифовки уже не изменяется на сколько-нибудь заметную величину.

Рис.2.1. 165-мм зеркало на поворотном столике.
Рис.3. Грубая шлифовка 300-мм зеркала.

[олег]

Изготовление бетонного шлифовальника и притирка его к зеркалу.
На сухую лицевую поверхность  зеркала укладывается полиэтиленовая пленка и вокруг него из картона  делается бортик высотой в два раза превышающий толщину стеклянного диска. Из песка и цемента  замешивается смесь и заливается в форму. Достаточно будет толщины чуть больше, чем толщина зеркала (рис 4.1). Для работы потребуется два шлифовальника: один полноразмерный, другой - размером в 2/3 диаметра зеркала для параболического полировальника.

На следующий день отделяем зеркало, разводим эпоксидную смолу  ацетоном слишком жидко и промазываем обе поверхности и край бетонного диска. Через некоторое время, когда смола начнет затвердевать обрабатываем все стороны еще раз,  но уже более густой смолой, следя затем, чтобы не оставалось пор и углублений, в которых может собираться абразив. В завершении той же смолой наклеиваем на выпуклую поверхность квадратики из оргстекла (можно простое стекло), не оставляя пустот под ними.

Шлифовальник готов. Притирку начинаем тем же крупным абразивом, которым велась обдирка. Шлифовальник располагаем снизу, а зеркало сверху и работаем классическим прямым штрихом с выносом на 1/3 радиуса. Для удобства можно на задней поверхности зеркала несмываемой краской нарисовать окружность диаметром 2/3D и наблюдать за сдвигом зеркала со шлифовальника по краю этой окружности. Потребуется пару часов работы, чтобы все квадратики полностью притерлись.

[олег]

Приготовление микропорошков.

На всем протяжении обдирки и притирки собираем отработанный абразив. Не стоит беспокоиться о том, что он загрязнен стеклом, его можно продолжать использовать. Разделение отработанного абразива на фракции проводим по самому простому методу – по времени отстаивания в воде. Потребуется приготовить линейку микропорошков с увеличением времени отстаивания в два раза (№8,№6,М40,М28,М20,М14,М10).

В 3-х литровой банке, доверху наполненной водой, деревянной мешалкой хорошо размешиваем абразивную смесь, выжидаем 30 сек и с помощью кислородного шланга быстро сливаем воду со взвешенной фракцией  в широкий таз. Главное не допускать засасывания фракции со дна, шланг опускаем не ниже, чем на 3/4  глубины банки. Проделав эту операцию 3-4 раза можно извлечь все фракции от №8 и мельче.

Следующим шагом повторяем те же действия, увеличив время отстаивания вдвое до 1 мин. и извлекаем все фракции от №6 и мельче. Микропорошок  фракции М40 отстаивается уже 2 мин. М28 и М20 --  4 и 8 минут соответственно. Самые тонкие микропорошки  М14 и М10 потребуют 15 и 30 мин. отстаивания! Расход  микропорошков очень не большой.  И чем мельче, тем его нужно меньше (1-2 чайные ложки). Отмученные микропорошки отстаиваем до полной прозач-ности воды, разделяем по маленьким баночкам с плотными крышками и подписываем. Начинаем тонкую шлифовку (рис.5).

[олег]

В процессе тонкой шлифовки, последовательно переходя  на более мелкие номера,  будет получена самая нежная матовость, готовая к полировке и сама поверхность приблизится к сферической.

Норматив по времени работы каждым номером составляет 1 час, что позволяет иметь некоторый запас по качеству прошлифовки трещиноватого слоя и тем самым отпадает необходимость контроля  матового слоя с окулярным микрометром.

После часовой работы номером №8 матовая поверхность стала заметно тоньше. Любопытно также поглядеть на нее через лупу. На просвет видна изрытая ямками стеклянная равнина,  а с обратной стороны, через стекло, видна та же поверхность, но уже в виде «горной местности» с остроконечными стеклянными пирамидами. Закончив шлифовку номером №6, матовость стала еще тоньше и уже способна отражать косые лучи (рис.6).

На этом этапе уже нужно принимать меры по снижению вероятности появления царапин. Часто вносить новую порцию не нужно, одна порция работает 10 мин. Наносим порцию, сдвинув зеркало вбок, предварительно перетерев ее между плоскими кусочками стекла, чтобы случайные крупные зерна раскололись сразу. Особенно тщательно моем шлифовальник и зеркало при переходе на более мелкий номер абразива. Хорошо с этим справляется зубная щетка. По мере шлифовки в эпоксидной смоле на шлифовальнике могут вскрываться маленькие воздушные пузырьки и они становятся местом скопления зерен от предыдущего номера, поэтому их нужно своевременно расширять и заклеивать.

Даже принимая все меры, появления царапин не избежать. Они более всего наносят удар по самолюбию и настроению. Конечно, крупные и глубокие царапины, которые пересекают по полдиаметра нужно убирать, возвращаясь на пару ступеней выше от текущего номера абразива. Появление их можно предупредить, если ножовкой напилить на шлифовальнике канавки-ловушки. Попав в них, крупное зерно не сделает длинной царапины. Стремление убирать все появляющиеся царапины приведет к многократным возвратам, перерасходу сил и терпения. Какой-то разумный компромисс  может основываться на том заключении, что суммарная площадь всех оставшихся царапин на готовом зеркале ничтожна, по сравнению с площадью всего зеркала. И такой дефект в изображении будет тоже иметь ничтожную силу.

Шлифуя микропорошками М40 и М28, стало наблюдаться присасывание и заедание зеркала. Это сказывается отличие формы поверхности от сферической. Обнаружить отклонение от сферы можно одним оригинальным способом. Если маркером на сухой матовой поверхности зеркала
нарисовать крест от края до края, то краска глубоко впитавшись, долго остается видна при шлифовке. Сквозь тыльную сторону хорошо видно, как в местах тесного контакта след от маркера стирается быстрее. Характер распределения абразива тоже указывает на форму, он собирается
в местах, где имеется больше свободного пространства (рис.7).

[олег]

Сдвиг зеркала на 1/4- 1/3 его радиуса автоматически  ведет к сферической поверхности. Сдвиг более 1/3 выражается в появлении заваленного края и ямы в центре (рис.8.1), такое отклонение сложнее всего исправлять, для этого нужно укоротить  вынос  до  1/4  и менее. Короткий сдвиг менее 1/4 приводит к другой форме отклонения – подвернутый край и бугор в центре, легко устранимая погрешность, исправляется увеличением выноса более 1/3. Наблюдая за характером стирания креста от маркера можно постоянно контролировать форму зеркала на ранних стадиях. При шлифовке микропорошки М20 и М14 уже слышно легкое шипение. Зеркало не снимаем для промывки, а вымываем шлам обильным добавлением воды.

[олег]

Последнюю порцию М10 я растирал 30 мин. и получил такую тонкую матовость, что она уже была способна отражать прямые лучи! (рис.9).

Тот факт, что волосок от лампочки отражается от самого края зеркала под прямым углом, говорит о том, что лучше всего прошлифовалась крайняя зона и имеется форма подвернутого края. Это легко устранимое отклонение и стремиться нужно именно к этому, т.к. исправление заваленного края потребует гораздо больших усилий.

Общий хронометраж работы таков:
1.обдирка чугунным кольцом ……………………………………16ч
2.притирка шлифовальника ………………………………………. 4ч
3.тонкая шлифовка …………………………………………………… 10ч.

Уделяя работе по 2-3 часа за вечер, удалось закончить изготовление зеркала за 2 месяца.

[олег]

                                                                        3.ПОЛИРОВКА.
На этапе полировки тонкий матовый слой заполируется и поверхность станет оптически гладкой и получит способность без рассеяния отражать свет. В качестве полирующего материала я использовал крокус—окись железа, тонкий порошок коричневого цвета, применяется для приготовления грунтовки при покраске металлоконструкций.

Изготовление полировальника.
Особую важность имеет полировочная смола. Первые опыты с  канифольно-битумным составом оказались неудачными (еще при полировке 165-мм зеркала).Тогда прорыв в действии был связан с использованием касторового масла в качестве размягчителя канифоли.

В консервной банке, на слабом накале электроплиты расплавляем  канифоль  в таком количестве, чтобы ее хватило покрыть шлифовальник слоем  5-8 мм. Хорошо размешиваем и выбираем такую температуру плиты, при которой смола не густеет и не закипает. Добавляем небольшими порциями касторовое масло, ориентировочно 2%. После добавления каждой порции тщательно перемешиваем и деревянной палочкой берем пробу. Даем пробе остыть и определяем вязкость по нажатию ногтем большого пальца. Если после длительного нажатия на смоле остается слабый след, то вязкость подходящая.

Заливку смолы на поверхность шлифовальника выполняем в следующей последовательности. Подкладками выставляем шлифовальник горизонтально, это  легко определить, поставив в центр полную кружку с водой, и наблюдая за ее краем. Вырезаем из картона бортик и плотно стягиваем его вокруг шлифокальника изолентой. Снимаем его и пропитываем водой, чтобы он не приклеивался к смоле. Шлифовальник ставим под кран с теплой водой и подогреваем его. Вытерев насухо выпуклую поверхность шлифовальника, одеваем мокрый картонный бортик и сразу же начинаем выливать смолу. Заливку начинаем с середины и равномерно, не торопясь, по спирали двигаемся к краю. Следим за тем, что бы в центре был небольшой избыток смолы.

[олег]

Потребуется 10 мин., чтобы смола затвердела. На протяжении этого времени мокрой тряпкой смачиваем катонный бортик, чтобы он не приклеился.

Формовку смолы выполняем самим зеркалом под струей горячей воды (50-60 град.). Чтобы зеркало случайно не выскользнуло и не разбилось о раковину, выстилаем его резиновым ковриком. Для еще более лучшей «скользучести» и «неприлипаемости» мылим мылом лицевую поверхность зеркала. Разогретая смола под действием давления и движения зеркала быстро начинает выравниваться и принимает нужную форму.

Как только смола немного выровнялась, берем мокрую деревянную линейку и начинаем выдавливать канавки на всю толщину смолы. Центральный квадратик  располагаем асимметрично к центру  диска (это препятствует формированию астигматизма). Ширину квадратиков удобно брать равную  ширине линейки. Находясь под струей горячей воды, смола легко поддается формовке, при этом канавки немного заплывают и их нужно подправлять. Проведя формовку 3-4 раза все квадратики гладко соприкасаются с зеркалом, а канавки имеют ровные и наклоненные стенки (рис.11).

Далее выключаем  горячую  воду, хорошо намыливаем зеркало и оставляем его на полировальнике до полного остывания, периодически передвигая зеркало.

Сдвинув зеркало и добавив немного мокрого крокуса начинаем полировку. Хорошо, если зеркало перемещается с небольшим сопротивлением, и при этом ощущается легкий скрип. В моем случае зеркало сильно присасывалось, не позволяя делать нормальные сдвиги. Это означало, что поверхность слишком сильно отличается от сферической.

Помочь в таком случае может дополнительная формовка сеткой. На разогретую поверхность смолы ровно укладываем капроновую сетку, мылим мылом и накладываем зеркало сверху. Со значительным давлением или с грузом делаем несколько движений, как при шлифовке. Сетка вдавливается в смолу, образуя много отдельных полировальников, которые уже более динамично входят в контакт с полируемой поверхностью (рис.12).
                                         
После формовки сеткой полировка пошла хорошо. Крокуса при полировке требуется очень мало, его частички застревают в смоле и как бы строгают верхушки стеклянных гор.

Прополировав 1 час я с удивлением заметил, что поверхность значительно прополировалась, совершенно гладкими стали внешняя зона и центральная часть, что подтверждало наличие бугра в центре и подвернутого края (рис.13).

[олег]

Для исправления этого отклонения я увеличил вынос зеркала с полировальника до 1/3 радиуса. Прополировав еще час картина стала еще приятнее и уже появилась необходимость проведения теневых испытаний. По окончании работы полировальник и зеркало я хранил отдельно, а перед началом на следующий день проводил формовку с дополнительным грузом. В течении 20 мин. на зеркале стояло 5л ведро воды и через каждые 2 мин.  совершалось несколько движений (рис.14). Это позволяло вернуть полировальнику форму зеркала.

[олег]

                                                   4. ТЕНЕВОЙ  КОНТРОЛЬ.
Наиболее интересная, на мой взгляд, часть постройки телескопа – теневые испытания. Метод изучения отражения от искусственной звезды обладает такой чувствительностью, что позволяет уверенно контролировать отклонения  оптической поверхности в 1/4 длины волны и менее. Длина волны зеленых лучей 0,55 микрона. На этом этапе задается главное качество оптики – ее точность.

Теневой прибор.
Из узлов старого фотоувеличителя я собрал теневой прибор (рис.15). В продольных направляющих, с помощью винта тонких движений (с шагом 0,5мм) и возвратной пружины, перемещается рамка с отсчетным устройством индикаторного типа (шкала до 0.01мм). В поперечном направлении также имеется винт тонкого движения. Источником света служит лампочка от шахтового фонаря 3,5В, которая подключена через телефонное зарядное. Двухлинзовым конденсором свет от лампочки фокусируется на грань пластмассовой призмы, где расположены два лезьвия от бритвы. Одна бритвочка своей до блеска заточенной стороной служит отражателем на 90град. с одной стороны, и своей режущей частью выполняет функцию ножа Фуко. Другая бритвочка очень близко приближается к первой, создавая узкий просвет, который является щелевым источником света. Таким образом и щель и нож расположены на одной оптической оси и перемещаются вместе (рис.16).

Помимо метода щель-нож, применялся также метод  щель-нить. В качестве нити использовался тонкий волос, но этот метод особенного преимущества не показал.

Прибор получился излишне навороченным. Кроме своей массивности, что увеличивает устойчивость, остальные части имеют массу недостатков. Винт продольного перемещения оказался слишком мелкий, шаг резьбы в 1мм был бы гораздо удобнее. Устройство поперечного перемещения совсем не использовалось, с этим лучше справлялось простое надавливание рукой на один край основания прибора. Мощное светособирающее устройство вполне может заменить  яркий светодиод.