Весной 2000г. мне довелось приобрести телескоп ТАЛ-3 новосибирского производства. К сожалению, этот 200-мм инструмент системы Максутова-Кассегрена в серию не пошел и доставшийся мне экземпляр был одним из опытных образцов, изготовленных на НПЗ несколько лет назад при разработке прибора. Поэтому рассказ об этом телескопе и о предпринятых мной доработках его конструкции вряд ли сможет служить "руководством к действию" для других любителей астрономии. Надеюсь, все же, что эти заметки помогут при разработке и модернизации других любительских телескопов, имеющих схожие элементы конструкции.

Рисунок 1

ОПТИКА

Телескоп выполнен по схеме Максутова-Кассегрена, D=200мм, F/D=8. Диаметры компонентов: мениск - 210мм, главное зеркало - 214мм, вторичное зеркало - 66мм. Радиусы кривизны мениска R1=-258,2; R2=-275,4; толщина d1=29,66; стекло К8. Расстояние от мениска до зеркала d2=355,2; радиус кривизны главного зеркала R3=-1000; расстояние между зеркалами d3=-354,2. Радиус кривизны вторичного зеркала R4=-452,9; расстояние от вторичного зеркала до фокуса 525,5 (вынос фокуса за вершину главного зеркала 171,3мм).

Каких-либо дефектов изготовления оптики я не заметил, качество изображения вроде бы соответствует расчетному (насколько это можно заметить в полевых условиях). Но расчетные параметры выбраны "на пределе": при таком F/D и короткой трубе выбранная оптическая система уже не обеспечивает достаточно полной компенсации аберраций. Кроме того, при F/D=8 неизбежно большое центральное экранирование блендой на вторичном зеркале. Все это приводит, при визуальных наблюдениях, к повышенной яркости дифракционных колец, а для планет - к снижению контраста изображения.

Впрочем, мне были заранее известны эти недостатки ТАЛ-3, как визуального телескопа. Зато для фотографии в главном фокусе большая светосила - преимущество, а качество изображения по всему полю 24х36мм вполне приличное.

Еще один потенциальный недостаток - зеркала выполнены из стекла с большим коэффициентом теплового расширения (К8). Однако, для фотографического применения, это не так уж важно - в сумерках снимать бессмысленно, к тому же около 2-х часов после захода солнца все равно уходит на подготовительные работы (сборка, точная подстройка положения полярной оси), а за это время телескоп успевает остыть.

ТРУБА

Труба телескопа - литой алюминиевый цилиндр с толстыми (5мм) стенками. Отсюда - большой вес (в сборе с оптикой почти 20кг), зато можно крепить дополнительное оборудование (гид, например) прямо к трубе, не думая о деформациях. Оправы стальные, их конструкция, на мой взгляд, достаточно продуманная, обеспечивающая работу без люфта и пережатия в широком температурном диапазоне (на мелких ошибках, вроде забытых при сборке технологических прокладок, я здесь останавливаться не буду). Главное зеркало закреплено аналогично мениску - за край с разгрузкой на три точки, его толщина позволяет это сделать. Вторичное зеркало вклеено герметиком в стальную оправу, частично утопленную в отверстии мениска, предусмотрена его юстировка.

При всей неоптимальности конструкции трубы с точки зрения экономии массы, я не стал вносить в нее серьезных изменений, благо жесткость монтировки (см. ниже) вполне соответствует весу трубы. Был существенно переделан только фокусировочный узел, который оказался чрезмерно сложным, но неудобным в работе. Было решено для визуальных наблюдений сделать отдельное фокусировочное устройство, а штатный резьбовой механизм предельно упростить и использовать его только для фотографии. В результате удаления "лишних" деталей удалось, кстати, на 15мм сократить расстояние между главным зеркалом и задней стенкой трубы, увеличив тем самым вынос фокуса за габариты трубы.

Рисунок 2

На рис.2 показан доработанный окулярный узел. Выдвижная трубка 1, вращаясь, перемещается по резьбе внутри детали, выполняющей также роль бленды в отверстии главного зеркала (в первоначальном варианте вращалась, наоборот, бленда, приводившаяся в движение зубчатой передачей). Поскольку переходная трубка крепления фотоаппарата 2 может быть закреплена на выдвижной трубке 1 под любым углом с помощью накидной гайки 3, вращение выдвижной трубки не вызывает неудобств, ведь фокусировка все равно выполняется специальным "стаканом" с ножом Фуко (он виден на рис.1) при снятом фотоаппарате. Разрезное кольцо с зажимным винтом 4 позволяет жестко фиксировать выдвижную трубку после фокусировки. Эта простая конструкция не только исключает любые смещения фотоаппарата во время экспозиции, но дает возможность, один раз за ночь сфокусировавшись с помощью ножа Фуко, в дальнейшем вносить поправки в фокусировку при изменении температуры, не снимая фотоаппарата, ориентируясь по шкале 5.

Для визуальных наблюдений используется дополнительное фокусировочное устройство 6, установленное на корпусе диагонального зеркала 7 (вот где пригодились сэкономленные 15мм выноса фокуса!). Примененная в нем четырехзаходная резьба выдвигает окуляр на 6мм за каждый оборот вокруг оси (полный ход "визуальной" фокусировки - 14мм). Такая конструкция позволяет быстро переходить от фотографических наблюдений к визуальным и обратно, не нарушая точной фотографической фокусировки.

Еще одна доработка, которую пришлось сделать сразу - установка бленды-отсекателя паразитной засветки на вторичном зеркале (имевшийся на оправе вторичного зеркала небольшой буртик не выполнял свою роль даже для центра поля). Размер бленды был выбран исходя из полного подавления засветки по всему полю зрения, но с учетом некоторого виньетирования по краям поля. В результате получилось центральное экранирование около 40% диаметра - неизбежная плата за светосилу фотографического инструмента. Материалом для бленды послужила пластиковая бутылка, из конического участка которой легко вырезать кольцо с подходящими размерами. После окраски черной матовой краской бленда была приклеена к оправе вторичного зеркала.

Ну, и конечно, пришлось сделать для телескопа бленду-противоросник (почему-то производители почти всегда "забывают" об этом совершенно необходимом дополнении инструмента с закрытой трубой). Противоросник склеен из нескольких слоев плотной бумаги и покрашен изнутри в черный цвет. Тот вариант, что показан на фотографии (рис.1) на практике оказался коротковат, и длина бленды впоследствии была увеличена почти вдвое.

МОНТИРОВКА

Монтировка ТАЛ-3 - немецкого типа, с червячным приводом полярной оси и с винтом тонких движений на оси склонений. Положение полярной оси регулируется с помощью пары винтов по азимуту и червячного сектора по высоте, а сама ось сделана полой для возможной установки в ней полярного искателя. Корпуса осей и другие корпусные элементы отлиты из алюминиевого сплава, а сами оси - стальные, также как и "ласточкин хвост" для крепления телескопа. Конструкция имеет очень неплохую жесткость и может нести инструмент весом килограмм до 25, а возможно, и больше.

Полярная ось вращается в подшипниках качения, привод осуществляется с помощью бронзовой червячной шестерни диаметром 144мм (144 зуба, модуль 1), шестерня связана с осью фрикционно, усилие регулируется с помощью двух зажимных винтов. При полностью отпущенных винтах вместо них действует пружина, позволяющая плавно вращать телескоп рукой с небольшим усилием, что удобно при визуальном поиске объекта. Червячный винт полярного привода приводится в движение промежуточным редуктором в виде еще одной маленькой червячной пары (передаточное отношение 1:30), а та, в свою очередь, шаговым двигателем ДШИ-200-1-1.

Первоначально шаговый двигатель создавал шум и заметную на ощупь вибрацию, но этот недостаток я легко устранил, закрепив двигатель через прокладки из толстой резины.

Если подсчитать передаточное отношение редуктора, получается, что один шаг двигателя соответствует примерно 1,5", что, на первый взгляд, много. Однако фактически двигатель работает в режиме полушагов (полушаг - 0,75"), а оставшиеся толчки поглощаются резиновой подвеской, поэтому неплавность движения на практике незаметна при любых увеличениях.

Еще одна проделанная мной доработка - подпружиненный прижим червяка к червячной шестерне. По утверждению авторов многих публикаций, это позволяет заметно уменьшить периодическую ошибку привода. В большинстве случаев я пользуюсь автогидом, и для меня борьба с периодической ошибкой не очень актуальна. Однако есть и другие аргументы в пользу подпружиненного червяка, прежде всего, устранение люфта, и одновременно, опасности заклинивания передачи, в том числе и при изменении температуры в широких пределах. Интересно, что во многих случаях для создания подпружиненного прижима вовсе не обязательно применять какие-либо сложные шарниры, вполне достаточно гибкости элементов конструкции, намеренно ослабленных в определенном сечении.

Рисунок 3 В часовом механизме ТАЛ-3 (рис.3) червячный винт 1 вместе с промежуточным редуктором 2 и двигателем 3 (последний находится снизу и на снимке почти не виден) смонтированы в отдельный узел, крепившийся к дну корпуса четырьмя винтами. Доработка свелась к тому, что были оставлены лишь два крепежных винта 4, 5, расположенные на линии, параллельной оси червяка, и рядом с ними были сделаны два пропила 6, 7 (на рис.3 видно только одно место крепления, второе закрыто шестерней). Этого оказалось достаточно, чтобы при приложении небольшого усилия выбирался люфт (до 0,1 мм) между червяком и шестерней. Для создания прижимного усилия была установлена пружина 8. Одна из странностей первоначального варианта монтировки - отсутствие рукоятки тонкого движения по прямому восхождению. Эту проблему я решил путем доработки электронной схемы управления (см. ниже), благо шаговый двигатель в состоянии развивать достаточные для плавного наведения скорости. В механическую часть был добавлен лишь насаженный на ось червяка барабан 9 (рис.3) со шкалой, видимой через окошко в крышке корпуса, облегчающий определение относительных расстояний на небесной сфере. На оси склонений ТАЛ-3 использованы бронзовые подшипники скольжения, что, несмотря на высокое качество их изготовления, создает определенные неудобства (трудно плавно повернуть телескоп рукой на небольшой угол по склонению). Механизм тонкого движения по склонению - винт с возвратной пружиной - аналогичен применяемому на телескопах "Мицар" и "Альтаир". Сначала у меня вызывала сомнения возможность проведения коррекций по склонению с точностью, достаточной для фотосъемки в главном фокусе, ведь по расчету получалось, что для коррекции, скажем, на 4", нужно повернуть рукой винт тонкого движения всего на полградуса. Как ни удивительно, это оказалось возможно, поэтому модернизацию механизма оси склонений, как и установку на ней шариковых подшипников, я отложил на более поздний срок. Механизм настройки положения полярной оси оказался вполне работоспособен (хотя шаг винта регулировки высоты неплохо было бы сделать поменьше). Доработки здесь были связаны с креплением монтировки к стационарной колонне. Преимущество такой колонны перед переносной, во-первых, в том, что ее можно сделать гораздо жестче (штатная колонна ТАЛ-3, несмотря на видимую внушительность, является основным источником вибраций всей конструкции), а во-вторых, в заметном упрощении точной установки полярной оси после снятия и повторного монтажа монтировки на колонну. Был изготовлен узел сопряжения в виде двух металлических дисков, один из которых жестко привинчен к колонне, а другой снимается вместе с экваториальной головкой, но может поворачиваться относительно последней на небольшой угол при настройке азимута полярной оси. После настройки положение головки на верхнем диске фиксируется болтами, а при последующем демонтаже развинчиваются уже другие болты, скрепляющие диски между собой. Точное совмещение дисков при повторной сборке обеспечивается соответствующим рельефом на их сопрягаемых поверхностях. Жесткости установленной ранее стационарной колонны в виде вбитой в землю стальной трубы оказалось недостаточно для тяжелого ТАЛ-3. Поэтому трубу пришлось обложить кирпичом на цементном растворе (кроме верхнего участка длиной 300мм), что обеспечило вполне комфортные условия наблюдений.

ЭЛЕКТРОНИКА

Штатная электроника ТАЛ-3 не устраивала меня по двум причинам. Во-первых, она не использовала всех возможностей шагового двигателя, в принципе позволяющего получить удобный набор скоростей для гидирования и наведения (самым неприятным было отсутствие реверса, особенно с учетом того, что у монтировки нет механической рукоятки тонкого движения по прямому восхождению). Во-вторых, потребляемый схемой ток от низковольтного источника (более 2А от 12В) оказался слишком велик даже для автомобильного аккумулятора (а это для меня основной вариант электропитания). Поэтому электрическая схема была полностью переделана, благо, современная элементная база позволила сделать ее достаточно простой и компактной.

Несколько слов о принципах управления шаговыми двигателями. Обычно на обмотки двигателя подается четырехфазная последовательность поочередно следующих импульсов, в этом случае число шагов за один оборот ротора соответствует номинальному (200 шагов на оборот для ДШИ-200). Часто используется режим полушагов, когда очередной импульс подается на следующую обмотку еще до того, как обесточена предыдущая. При этом ротор останавливается в промежуточном положении, а число шагов на оборот удваивается (чтобы сделать вращение еще более плавным, иногда применяют также режим микрошагов, на котором мы здесь останавливаться не будем).

Развиваемый двигателем вращательный момент быстро падает по мере роста скорости вращения, в том числе и потому, что на обмотках при этом вырабатывается ЭДС, которая вычитается из подаваемого на двигатель напряжения, и ток обмоток снижается. Поскольку тип двигателя и напряжение его питания выбираются разработчиками исходя из обеспечения нужного вращательного момента на максимальной скорости, при работе на малых скоростях потребляемый ток и развиваемый момент оказываются чрезмерными (это особенно актуально для таких мощных двигателей, как ДШИ-200, тем более, работающих в режиме полушагов, когда обмотки периодически включаются попарно-параллельно).

Выровнять зависимость потребления от скорости можно, если запитать обмотки не от источника напряжения, а от стабилизатора тока, тогда амплитуда подаваемых на обмотки импульсов будет сама меняться в зависимости от скорости, компенсируя возникающую при вращении ЭДС и поддерживая достаточный момент. Если же стабилизатор тока построить по схеме импульсного понижающего преобразователя напряжения, потребляемый схемой на малых скоростях ток еще более упадет, и станет значительно меньше тока обмоток. Именно такой вариант реализован в схеме, показанной на рис.4.

Рисунок 4

Обмотки двигателя коммутируются ключами на составных транзисторах VT2-VT5, которые управляются импульсами с выходов микроконтроллера DD1, формирующего четырехфазную последовательность заданной частоты. Импульсный стабилизатор (с силовой цепью VT1, VD1, L1, C7) поддерживает постоянный суммарный ток обмоток около 600мА, контролируя падение напряжения на токоизмерительном резисторе R10 с помощью компаратора DA2. Дроссель L1 индуктивностью 500мкГн содержит 64 витка на сердечнике КВ5 из феррита 1500НМ3 с зазором 0,2мм. Стабилизатор работает на довольно высокой частоте (порядка 100кГц), поэтому вся схема получилась очень компактной, уместившись на плате размером 80х35мм. От 12-вольтового источника схема потребляет на малых скоростях (при гидировании) около 150мА, а на максимальной скорости (1400 полушагов в сек.) ее потребление возрастает до 600мА (штатная схема ТАЛ-3 потребляла те же 600мА на большой скорости, но зато на малой - более 2А!).

Микроконтроллер PIC16C73 со встроенным АЦП был выбран только для того, чтобы обеспечить прямое подключение сделанного ранее автогида (к входу "AG"), иначе можно было бы обойтись более простой микросхемой. Переключатель S5 позволяет включить либо управление скоростью гидирования от автогида (положение "Гид"), либо кварцованную "звездную" скорость суточного вращения ("Сут."), либо полностью остановить двигатель ("Стоп"). В последнем случае все его обмотки обесточиваются, и схема практически ничего не потребляет. Переключатель S5 определяет режим работы, только если не нажаты кнопки ручного управления.

Ручное управление скоростью осуществляется с помощью четырех микропереключателей S1-S4, конструктивно смонтированных попарно ("F", "F+" и  "B", "B+"). На поверхности пульта только две кнопки, каждая из которых, в зависимости от усилия нажатия, заставляет замыкаться один или оба механически связанных с нею переключателей соответствующей пары. При несильном нажатии замыкаются только контакты "F" или  "B", что вызывает изменение скорости относительно суточной на +50% или -50% соответственно (режим гидирования). Если нажать посильнее, кнопка "проваливается" глубже, замыкается второй контакт ("F+" или  "B+"), включается режим наведения, и двигатель начинает плавно разгоняться (при замыкании "B+" еще и реверсируется направление вращения). При достижении желаемой скорости нужно просто ослабить нажим, тогда набранная скорость будет оставаться постоянной, а если полностью отпустить кнопку, скорость начнет так же плавно снижаться, и вскоре двигатель вернется в режим гидирования. Диапазон регулировки скорости в режиме наведения 4х - 70х от суточной, причем на разгон до максимальной скорости уходит около 2,5 секунд.

Такой способ управления позволяет предельно сократить количество кнопок на пульте, отыскивать которые в темноте на ощупь не всегда удобно. Плавный разгон и торможение в любом случае желательны (особенно при большом диапазоне скоростей), это предотвращает толчки и колебания монтировки.

Исходные тексты управляющей программы микроконтроллера, а также готовый HEX-файл для его прошивки желающие могут найти здесь.

УСТАНОВКА ГИДА

Возможность использования имевшегося у меня автогида для съемки в главном фокусе ТАЛ-3 поначалу вызывала сомнения, ведь диаметр объектива гида всего 50мм, а его параметры изначально выбирались для работы совместно с 60-мм "школьным" рефрактором. Вообще говоря, наиболее рациональным решением для сравнительно крупных длиннофокусных телескопов является внеосевой гид, позволяющий избежать целого ряда трудностей (всевозможные прогибы и температурные деформации элементов конструкции). Вовсе не отказываясь от установки "внеосевика" в будущем, поначалу я решил попробовать воспользоваться имеющейся техникой, для чего прямо на стенке трубы ТАЛ-3 установил фланец, подходящий для крепления моего автогида.

Первые пробы показали, что гидирование с нужной точностью вполне возможно, но ручные коррекции по склонению при 45-кратном увеличении даются уже ценой значительного напряжения зрения. Поэтому, путем простого изменения расстояний между компонентами окулярной части, увеличение гида было повышено до 70 крат. В таком виде вся система и работает у меня уже более года. Отмечу, впрочем, что гидирование телескопа с фокусом 1,6м находится, по видимому, на пределе возможностей такого гида, в результате чего некоторая часть кадров все же уходит в брак.

Несмотря на некоторую "сырость" конструкции (что простительно для опытного образца), ТАЛ-3, на мой взгляд, представляет собой хорошую базу для дальнейшего совершенствования. В моих планах - установка моторизованного привода по обеим осям, системы компьютеризованного наведения ("GOTO"), использование ПЗС-матриц для гидирования и съемки и многое другое. Время покажет, какие из этих планов будут реализованы, а какие останутся благими пожеланиями. Надеюсь, все же, что эта статья будет первой, но не последней публикацией, посвященной модернизации ТАЛ-3.

(c) 2001 П.Бахтинов

Последнее изменение 7.08.01