Любительский телескоп Кассегрена с металлическими зеркалами. Краткое руководство к изготовлению

Независимо от того, какой системе телескопа-рефлектора (ньютоновской, кассегреновской, любой другой) любитель телескопостроения отдаст предпочтение, в первую очередь он должен рассчитать и изготовить главное зеркало, которое обуславливает все оптические и конструктивные характеристики телескопа.

Оптические системы, предназначенные для наблюдения весьма отдаленных предметов, называют, как помнит читатель, телескопическими. Отличительное оптическое свойство телескопических систем то, что для них предмет и его изображение находятся в бесконечности, то есть в систему входят параллельные пучки лучей и выходят также параллельными пучками. Это класс так называемых оптических афокальных систем.

Любая оптическая система это наличие двух и больше оптических деталей, имеющих строго определенную форму и расположение и предназначенных для определенного формирования пучков световых лучей. В случае телескопа Кассегрена, о строительстве которого в домашних условиях пойдет речь далее, это, прежде всего, первичное и вторичное зеркала. Кстати, опытом изготовления кассегреновских зеркал из нержавеющей стали поделился автор в статье, опубликованной на страницe Аstronet 13.03.2012 года, и настоящее руководство - ее логическое продолжение.

Главное и вторичное зеркала, а также окуляр объединяют в оптическую систему телескопа, то есть, закрепляют в точно определенном положении каждый из элементов системы, сохраняя за ними возможность в незначительных пределах наклоняться относительно геометрической оси трубы телескопа. С этой целью оправы зеркал снабжают юстировочными винтами.

На одном конце трубы кассегрена размещают главное (параболоидальное) зеркало, на противоположном вспомогательное (выпуклое гиперболическое). Главное зеркало определяет действующее отверстие телескопа, вторичное зеркало направляет отраженные им лучи, идущие от главного зеркала с центральным отверстием, в фокальную плоскость системы.

Окуляр устанавливается так, чтобы, во-первых, его оптическая ось совпала с отраженной оптической осью зеркала и, во-вторых, его можно было бы перемещать вдоль оптической оси для фокусировки. Расстояние между главным зеркалом и окуляром, напомним, должно равняться сумме их фокусных расстояний.

Итак, для сооружения телескопической системы необходимо смонтировать оправы зеркал, элементы их крепления и окулярный узел с фокусировочной кремальерой в максимально жесткой трубе телескопа. Форма ее и материал могут быть какими угодно. Выбор решения этой инженерной задачи диктуют возможности и предпочтения конструктора, но в любом случае она должна обеспечивать возможность приведения всех оптических частей телескопа в правильное взаимное положения, то есть его центрирование и юстирование. Оптическая схема "кассегрена" приведена на 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); расстояние между главным и вторичнымм зеркалами; 3 - светозащитная трубка;
MN и M'N' - соответственно линейные размеры поля зрения фокальной плоскости главного зеркала и эквивалентной системы.

Следует заметить, что залогом успеха при постройке телескопа будет наличие, по меньшей мере, двух условий: первое - любитель должен быть подкованным теоретически и второе - уметь работать руками. Другими словами, сооружение телескопа предполагаeт владение любителем определенными знаниями и умениями в разных ремеслах слесарном, столярном, малярном. Кроме того, что отнюдь не последнее дело, любитель при конструировании телескопа не может не позаботиться об эстетической стороне дела - внешнем виде своего детища, то есть выступает тут и дизайнером.

Труба и установка телескопа должны отвечать достаточно жестким требованиям и выдержать их сложная задача, но подготовленному и серьезно заинтересованному любителю она, без сомнения, вполне по плечу.

Специальная литература круглую трубу телескопа до 300-400 мм поперечником и длиной до 2-2,5 м советует изготовлять из бумаги, пропитанной эпоксидной смолой (12). И вполне оправдано. Действительно, бумажная труба, проклеенная эпоксидкой, при небольшом весе прочна, жестка, устойчива. К тому же, в отличие от металлической трубы, успешно гасит вибрации. Вместе с тем, отдавая должное дельному совету, нельзя сбрасывать со счетов то, что подобрать цилиндрическую болванку для изготовления трубы и более скромных, чем упомянутые, габаритов, представляется начинанием, не менее сложным, чем сооружение самой трубы. На основании этих соображений в качестве материала для трубы 185-миллиметрового кассегрена используем обоюдогладкую древесноволокнистую плиту (ДВП), положительные качества которой ничем не поступаются указанным качествам клееной бумаги.

Придадим ей восьмигранную форму. Правда, перед квадратной трубой, которую изготовить значительно легче, труба восьмигранного сечения, кроме более красивого вида, особенных преимуществ не имеет, но именно поэтому и выберем для воплощения более сложную форму: красивый вид нашего телескопа - дело не второстепенное.

К слову, телескопостроителю, избравшему для воплощения систему Ньютона, необходимо учесть, что окулярный узел должен быть закреплен на трубе параллельно последней оси вращения установки: оси склонения в параллактической установке. Если пренебречь этим, то при вращении телескопа вокруг оси склонения наблюдаем поле зрения, которое перемещается под углом к направлению передвижения, что для наблюдателя, безусловно, неудобно (4). К тому же, монтировать окулярный узел на плоской поверхности сподручнее, чем на выпуклой.

Длина трубы независимо от ее конструкции приблизительно равна фокусному расстоянию главного зеркала. Внутренний диаметр трубы (или круглый вырез в восьмиграннике) должен составлять приблизительно 1,25 диаметра главного зеркала, иначе лучи звезды, которая находится сбоку от оптической оси, будут частично заслоняться краем трубы.

Сооружение трубы телескопа перекликается с методами, которые практикуют судомоделисты, и не воспользоваться ими значит намеренно усложнить себе жизнь.

В самом деле, из энциклопедии судомоделизма (см. библиографию) дознамся, что корпус судна - это стойкий пустотелый каркас, который состоит из остова - набора - судна и водонепроницаемой обшивки. Не имеем ли все основания то же самое определение применить и к трубе телескопа?

Набор судна - это прежде всего киль и шпангоуты, то есть - поперечные элементы конструкции корпуса, которые по аналогии с ребрами животных называются ребрами. А чем, как не шпангоутами будут ребра жесткости, которыми снарядим нашу трубу?
Обшивка судна, которая покрывает набор судна - это оболочка. Не иначе, как оболочкой является восьмигранная обшивка трубы телескопа.
Судомоделисты при определении размеров набора и обшивки исходят из необходимости создать достаточные прочности и внутренний объем. Не такие ли задачи любителя астрономии при сооружении трубы телескопа?
При этом корпус не должен быть излишне тяжелым. А разве не заинтересован в этом и телескопостроитель?
Итак, труба телескопа обретет достаточную жесткость, если ее снарядить так называемыми ребрами жесткости в местах действующих на трубу нагрузок, а это: вес опорной и основной пластин оправы главного зеркала и самого зеркала, растяжек и вспомогательного зеркала в оправе, окулярного узла. Этим мы и займемся вскоре, но прежде всего направим наши усилия на изготовление оправ для зеркал, главного и вспомогательного.

Два диска для основной пластины оправы главного зеркала поперечником, как и зеркало, 185 мм изготовим из многослойной фанеры толщиной 10 мм. В одном из них, отступив от края на 20 мм, на расстоянии 120друг от друга вмонтируем винты М8 длиной 45 мм; назначение их - наклонять зеркало в нужном направлении (юстировать). Головкам винтов заранее придадим напильником прямоугольную форму, чтобы предупредить их вращение при вкручивании юстировочных гаек, и утопим в соответствующих пазах второго диска. Поцарапав для лучшего сцепления острием шила или концом сапожного ножа те поверхности обоих дисков, которые должны быть соединены, смажем их клеем, столярным или ПВА, и, стиснув эту пару железными пастями струбцин, оставляем до полного высыхания. К ним мы еще вернемся.

Удерживают зеркало в оправе три прямоугольные лапки из листовой нержавеющей стали. Длина лапки с шипом на верхушке должна учитывать толщину пластины оправы зеркала, самого зеркала, кожаных кружков, на которые оно опирается, а также ту ее часть, согнутую под прямым углом, которой она крепится на оправе. Эта часть лапки имеет продолговатый центральный паз для прохода крепежного винта, что дает возможность сдвигать ее во время крепления зеркала в оправе (рис.2). Шипы лапок сгибают под углом 45.

1- зеркало, 2 - основная пластина оправы, 3 - юстировочные винты, 4 - лапка, 5 - пластинка для крепления лапки, 6 - крепежный винт, 7 - кожаный кружок-опора.

На одном из дисков посередине между юстировочными винтами на расстоянии 120 друг от друга заподлицо с его поверхностью закрепим шурупами дюралевые пластинки, которые имеют два распотаенных отверстия под шурупы и одно, с резьбой М4, для крепления лапок. Лапки, с оглядкой на значительный вес зеркала (5 кг), изготавливаем из листовой нержавеющей стали, толщиной 1,5 мм. К основной пластине оправы они дополнительно крепятся шурупами и с боков.
Опорная пластина оправы, удерживающая основную пластину с закрепленным на ней зеркалом, также состоит их двух склеенных между собой 10-миллиметровых фанерных листов восьмигранной формы, размер которой должен быть достаточным, чтобы закрыть нижний конец трубы с торца. Крепят оправу к ней четырьмя винтами М8 способом, речь о котором пойдет при изготовлении самой трубы. В обеих пластинах оправы (основной и опорной) вырежем отверстия диаметром, равным диаметру отверстия в главном зеркале (60 мм) для размещения здесь окулярного узла с кремальерой.
Юстировочные винты снабжают возвратными пружинами, размещая их между основной и опорной пластинами оправы, и за пределами последней накручивают на них гайки (барашки) с шайбами. Таким образом, винты соединяют обе пластины в одно целое, что дает возможность при закрепленной на трубе опорной пластине наклонять в определенных пределах в нужном направлении основную пластину оправы с зеркалом.
Кроме юстировочных, тут предусмотрены и стопорные винты М6, назначение которых - надежно фиксировать после юстировки основную пластину оправы. Ввертывают их в опорную пластину, для чего между ее дисками перед тем, как склеить их, врезают гайки с соответствующей резьбой (рис.3).

а. 1 - опорная пластина оправы, 2 - винты крепления оправы, 3 - юстировочные винты, 4 - стопорные винты, 5 - окулярный узел;
b. 1 - зеркало, 2 - основная пластина оправы, 3 - опорная пластина оправы, 4 юстировочные винты, 5 - гайки (барашки), 6 - пружины, 7 - стопорные винты, 8 - винт крепления оправы, 9 - лапки, 10 - труба, 11 - кожаные опоры, 12 - окулярный узел.

Вторичное зеркало 185-миллиметрового кассегрена с оглядкой на солидный внутренний поперечник трубы (220 мм) подвешивают на четырех тонких (0,5 мм) растяжках, изготовленных из латунных полос. Концы растяжек снабжены шпильками с резьбой (М8), которые сквозь отверстия в стенках трубы выводят наружу, где на них наворачивают для натяжения гайки с шайбами. Растяжки закрепляют двумя парами под углом в 90 в четырех разрезах невысоких бортов опорной пластины оправы (металлического стакана с центральным отверстием), диаметр фланца которой равен диаметрам основной пластины оправы и вспомогательного зеркала (56 мм).
Форма основной пластины оправы напоминает гриб: круглая металлическая (латунь, дюраль) площадка толщиной 6 мм на стержне диаметром 15 мм с резьбой (М8) на конце, который должен свободно проходить сквозь отверстие в опорной пластине. На стержень накручивают специальную гайку того же диаметра. что и цилиндр стакана, перед этим разместив между ней и дном пластины возвратную пружину.
Оправа юстируется тремя винтами (М6), вкрученными по краю фланца опорной пластины оправы на одинаковых расстояниях один от другого. Концы винтов обработаны под сферу.
Вторичное зеркало, которое лежит на трех кожаных опорах, удерживают на площадке три лапки (рис.4).

а. 1 - опорная пластина оправы, 2 - растяжки, 3 - гайка, 4 - юстировочные винты, 5 - стержень основной пластины оправы, 6 - лапки;
b. 1 - зеркало, 2 - основная пластина оправы, 3 - опорная пластина оправы, 4 - возвратная пружина, 5 - гайка, 6 - стержень основной пластины оправы, 7 - растяжки, 8 - лапки, 9 - кожаные опоры, 10 - юстировочные винты;
с.1 - шпильки, 2 - гайки, 3 - стенка трубы, 4 - растяжки.

Форму ребер жесткости, материалом для которых послужит многослойная фанера толщиной 10 мм, диктует сечение трубы. В нашем случае это восьмигранники с круглыми вырезами в них (всего их 6).
В восьмиграннике, призванном служить входным отверстием телескопа, начертим окружность, поперечником 220 мм, с таким расчетом, чтобы она отступала от граней на 10 мм, и с помощью лобзика удалим внутреннюю часть.
Ребро жесткости с противоположного конца трубы, - двойное, то есть, склеенное из двух восьмигранников. Перед склейкой между ними в пазах четырех углов, для крепления опорной пластины оправы, вмонтируем гайки М8. Зазор между поперечником круглого выреза в ней и зеркалом в оправе оставим минимальным.
Одна из граней трубы кассегреновского телескопа - сухая, струганная, прямая доска дюймовой толщины, посредством которой крепят трубу на монтировке. Помня, что длина трубы приблизительно равна фокусному расстоянию главного зеркала (925 мм в нашем случае), остановимся на метровой длине доски.
Две пластины из нержавеющей стали 300x60х4 мм соединим струбциной и, отступив от противоположных меньших торцов на 20 мм, сверлим два отверстия под резьбу М14 и четыре отверстия по углам под резьбу М6.
Отверстия в одной из пластин рассверливаем для свободного прохождения винта М 14, а угловые отверстия для винта М6; эти последние распотаиваем. В отверстиях другой пластины нарезаем резьбу, соответственно М14 та М6. Обе пластины врезаем с противоположных сторон в доску заподлицо с ее поверхностью, следя, чтобы их центры совместились с отметкой трети длины доски и соединяем винтами М6. Затем вворачиваем винты М14, придав предварительно их головкам прямоугольную форму и поверх наклеиваем на доску по всей ее длине полосу ДВП с пазами для головок винтов, чтобы предотвратить их вращение.
В доске с помощью ножовки и стамески через равные промежутки делают неглубокие пазы для восьмигранников. Такие же пазы выполняют и на одной из их граней.
Ребро жесткости, замыкающее нижний конец трубы, и соразмерные ему два восьмигранника обшиваем с помощью клея 7-ю полосами 10-миллиметровой фанеры длиной, ненамного превышающей треть длины трубы (400 мм). Чтобы обеспечить тесное прилегание заготовок друг к другу, их предварительно по длинным сторонам с помощью рашпиля снабжают фасками. Смазывая по очереди торцы ребер и фаски полос столярным клеем или ПВА, соединяем их в стойкий пустотелый каркас, для надежности прихватывая их в местах соприкосновения мелкими гвоздями. Остальные ребра, размер которых должны совпадать с размером только вот образованного фанерного корпуса, устанавливаем на клею в пазах и со стороны доски фиксируем шурупами.
Круглый вырез во втором от верхнего края трубы восьмиграннике равен 210 мм, в третьем -205 мм, в четвертом - 200 мм, в пятом 195 мм.
Сапожным ножом под металлическую линейку заготовим 16 полос из ДВП длиной в 1 м каждая и шириной, чуть большей размера грани ребер жесткости. Затем обшиваем трубу полосами ДВП, предварительно обработав их по длинным сторонам рашпилем. Стыки граней трубы заклеиваем марлевой лентой и (после высыхания) закрепляем на клею второй слой полос, следя за безупречностью мест их соединения, и прихватываем гвоздиками. Поверхности полос перед смазыванием клеем нужно поцарапать острием ножа и, склеив это сооружение, плотно перевязать ремешком и не тревожить до полного высыхания в вертикальном положении (рис.5).

Чтобы предотвратить попадание посторонних лучей света в поле зрения окуляра, в телескопе системы Кассегрена применяют светозащитные трубки (светоотсекатели). Внутри одного из них устанавливают ряд диафрагм, чтобы помешать проникновению в окуляр лучей, отраженных от его стенок. Место размещения диафрагм определяют геометрическим построением. Закрепляют светоотсекатель в центральном отверстии главного зеркала, следя, чтобы отражение его в зеркале при рассматривании с любой стороны было продолжением самого отсекателя. Для полного избавления от паразитных лучей защитную трубку надевают и на оправу вторичного зеркала (рис.1).

На телескопах для легкого перемещения трубы и придания ей способности сохранять равновесие в любом положении размещают два подвижных противовеса (рис.6).

Противовес А представляет собой металлический (нержавеющая сталь, бронза, латунь) цилиндр с центральным отверстием, который свободно передвигается на стержне (сталь-серебрянка) диаметром 6 мм перед закреплением стопорным винтом в нужном положении. Длину изготовленных из двухмиллиметровой листовой нержавейки кронштейнов, которые удерживают противовес, рассчитывают с учетом поперечника цилиндра. На оси склонений для предотвращения падения противовеса В размещают подвижное кольцо со стопорным винтом.
Внутренние стенки трубы должны быть покрашены черной матовой краской. Выполняют эту процедуру, обычно, заблаговременно, впрочем, в нашем случае покраска уже сооруженной трубы, учитывая ее габариты, качеству не повредит.
Для чернения внутренности трубы, а также оправ главного и вторичного зеркал, применяют матовую масляную краску, которая пригодна и для металлических элементов телескопа. Для устранения блеска масляной краски в нее добавляют порошковую сажу, разведенную в техническом спирте, и восковую эмульсию, состав которой (в частях) следующий:

Приготовление. Хорошо очищенный (белый) пчелиный воск мелко настругать, всыпать в банку с широким горлом. Затем влить туда рассчитанное количество скипидара, настоять несколько дней, пока воск не растворится полностью. В другой посуде растворить нашатырный спирт в дистиллированной воде. Банку с раствором воска в скипидаре взболтать до получения однородной массы, влить в нее раствор нашатырного спирта и дистиллированной воды и снова взболтать, пока состав не станет однородным.

Восковую эмульсию, которую используют и как разбавитель густотертых масляных красок, сохраняют в тщательно закрытой стеклянной посуде; перед применением хорошо взбалтывают. В крайнем случае, любитель может воспользоваться готовой краской; правда, тут ему придется принять то ее качество, которое предлагает производитель.
В завершение трубу снаружи покрывают светло-серой масляной краской с добавлением в нее небольшого количества порошка алюминия, разведенного в техническом спирте. Венчает верхний конец трубы полоска черного цвета 10 миллиметровой ширины, которую отбивают, применив малярную ленту. Оправы также покрывают черной краской.
Трубу в случае необходимости обхватывают фанерными хомутами, которые крепят на шипах к пластине оси склонений. Если же продолжить аналогию с "жаргоном" судомоделистов, то по мнению автора, лучшего названия, чем фендерсы, для такого рода хомутов, не сыскать. В самом деле, "...фендерсы - это вертикальные относительно продольной оси судна усиливающие ребра на борту поверх обшивки".
Лишним будет напоминать читателю о необходимости тщательной обработки каждой детали и готового сооружения в целом, выдерживания требований малярной технологии для придания телескопу, что называется, товарного вида, потому что это разумеется само собой.

Назначение монтировки (штатива) обеспечить возможность наводить телескоп на небесное светило, удерживать его во время наблюдения в поле зрения, надежно смещать трубу на малые углы. Основное требование к монтировке устойчивость, а значит, общая масса установки должна быть такой, чтобы в ней поглощались все посторонние вредные колебания.

Все монтировки делятся на две группы: азимутальные и параллактические.
При вращении трубы вокруг основной оси азимутальной монтировки вертикальной изменяются азимуты, вращение вокруг горизонтальной оси изменяет высоты, отсюда ее название альт-азимутальная монтировка (альт от англ. аl