Исследование этапов изготовления телескопа

У каждого любителя физики, а в частности астрономии, и вообще, человека, развивающегося в эпоху активного освоения космического пространства, читающего и слушающего информацию о солнечных затмениях, прохождениях комет, Луне, Марсе, спутниках и кольцах Юпитера и других небесных объектах, охватывает нестерпимая жажда увидеть, исследовать все это великолепие природы своими глазами в реале. В этом и выражается актуальность моей работы.

Достаточно сильные телескопы фабричного изготовления очень дороги. Построить телескоп весьма непросто, предвидеть дальнейшие трудности и грубейшие ошибки сложно. Именно не осознание всей трудоемкости данного дела мешает неопытному «строителю» решиться или же отказаться от намеченной цели. В этом и состоит актуальность выбранной мной темы.

Тема моей работы: исследование этапов изготовления телескопа

Цель: исследовать этапы изготовления самодельного телескопа

Задачи: изучить специальную литературу; исследовать системы телескопов; выбрать удобную систему телескопа; отобрать и собрать в едино лучшие способы изготовления телескопа; исследовать этапы изготовления телескопа; построить телескоп выбранной системы; изложить ход исследований и выполнения работы доступным языком.

Методы изучения и исследования: изучение справочной и специальной литературы, виртуальная беседа с опытными оптиками, на форумах оптиков и телескопостроителей.

Выбор системы телескопа

Я исследовал все три типа оптических телескопов: рефракторы, рефлекторы и комбинированные зеркально-линзовые системы. Линзы рефрактора и комбинированной зеркально-линзовой системы помимо своих больших преимуществ имеют важный недостаток, а именно сложность изготовления, поэтому я остановился на телескопе-рефлекторе систем Ньютона и Ломоносова-Герешеля.

Система Ньютона

Данная оптическая система имеет довольно простую конструкцию. Система Ньютона обычно состоит из двух зеркал, а чем больше свет переотражается, тем меньшее его «количества» поступает в окуляр. Чтобы лучше понять реальные потери, я предлагаю следующий метод определения процентной потери света и в последующем его снижении увеличения телескопа.

Метод определения потери света

Чем меньше света отражается, тем меньше пропорционально уменьшенный очерченный пучок, а значит справедливо равенство: 100%/d1=x2/d2, где d1 – 100% размер пучка. Упростив, получим d2 = d1*x2. Приняв фокусное расстояние окуляра Fокуляра = 10мм, и зеркала F1 и F2 (равны половине R1 и R2 соответственно). Тогда общая формула: потеря в увеличении телескопа (ПВУТ)= F1зеркала - F2зеркала/ Fокуляра.

Из вышеизложенного выведу общую формулу: а) если неизвестно общее процентное отражение систем зеркал: так как F2 = d2 * F1 / d1, то ПВУТ = (F1 – (d2 * F1 / d1))/Fокуляра

Следовательно, ПВУТ = F1 *(d1 – d2) / d1*Fокуляра б) если известно общее процентное отражение систем зеркал: тогда для облегчения формулы примем за не отразившийся процент букву 2x.

ПВУТ = F1*(d1 – d1*x2) / d1*Fокуляра = F1*(1 - x2)/ Fокуляра = F1 * 2x / Fокуляра

Вариант а может быть использован только учетом освещенности изображения и силы света, в последующем, пропорционально уменьшенном относительно 100% диаметра пучка света. Однако нет сомнений в точности и справедливости варианта б.

Используя условные данные и формулы, начерчу график зависимости общего процентного отражения зеркал от ПВУТ:

Основываясь на этом, считаю, что лучше всего выбрать систему без дополнительного зеркала, а именно систему Ломоносова-Гершеля. Однако преимущества системы Ломоносова-Гершеля не компенсируется с потерями света системы Ньютона. Я выбираю телескоп-рефлектор системы Ньютона.

Поиск необходимых материалов

Первая трудность - материал будущего зеркала. С помощью своего отца я смог заполучить две иллюминаторные стекла диаметром 100 мм и толщиной 20мм. Боковые поверхности круглил с помощью металлического хомута и крупного абразива, смешанного с водой. Использовал абразив наждачной бумаги. На всю работу потребовалось: 5 шт. листа - №50 (240мм на 170мм); 1 шт. №40; 2 шт. №25, №12, №6 и M40. Номера М20 и М14 пришлось получать самому из прошлифованного абразива.

Теперь надо отделить этот самый абразив от материала, к которому прикреплен. Для этого сжигал листы «наждачки». Отмечу некоторые важные нюансы: а) при сжигании наждака, приклеенного к бумаге, выделяется терпимый запах. Наждак отлично рассыпается в одинаковые крупинки.

б) наждак же приклеенный к ткани, горит плохо, выделяя вонючий газ, да и отсоединяется от наждака плохо. Я в этом сам убедился. Поэтому советую не покупать сразу много листов одного типа наждачной бумаги.

Шлифовальный стол

Конструкция моего шлифовального стола:

Нужна смола. После нескольких неудачных попыток, я смог заполучить битум у строителей.

Шлифовка

Мне необходимо отшлифовать углубление равной 0,88 мм.

Ориентируясь на начерченную окружность, проводил нерезкие перпендикулярные к телу штрихи. Сделав 4-5 штриха, повернул стол на 15—30° налево, а зеркало направо, а после 10 минут такой работы сделал наоборот.

Не забудьте остановиться вовремя! Я работал и с другими абразивами, такими как песок, но излишек твердых камней делает обычный песок негодным, и порошок для снятия огрубевшей кожи (качественно, но медленно).

Измерял стрелку кривизны, положив на поверхность зеркала прямую ровную металлическую линейку, перпендикулярно к которой опускал миллиметровую полоску.

На 120-минутнике шлифовку закончил. Я ощутил некоторое облегчение, потому что эти мелкие черные частицы остатка-угля действовали, как краска и впитывалась и в кожу и в кафель раковины и ванны так, что мне приходилось все это долго и упорно отмывать.

Полировка

Использовал две пачки (500гр. ) железного купороса (дешев и доступен) и поехал в огород готовить крокус. Приведу мои наблюдения во время прокаливания:

- первая - вторая минута: интенсивно выделяется газ с резким запахом; зеленый порошок слипается в комки, приобретая желто-коричневый цвет; раздробил комки.

- четвертая минута: выделяется газ, но не так интенсивно; смесь приобретает белый цвет в виде мелкого порошка; снова раздробил и перемешал вещество.

- восьмая минута: уже сероватый порошок приобретает желто-красный оттенок;

- девятнадцатая минута: вещество приобрело красный цвет

Весь собранный красный сурик раздробил, размешал в банке с дистиллированной водой, и отмучил 10-минутник. Выделяется теплота.

Полировальник из смолы

Я использовал 70мл смолы и 160гр. канифоли. Во время остывания в течение 5-10 минут придерживал стекло в горизонтальном положении.

Канавки прорезал с помощью 5 мм паяльника. При помощи теплой воды формовка не удавалась. Попробовал применить сливочное масло, и на мое удивление результат был потрясающим. Я пробовал формовать и используя груз. Увы, при этом зеркало прилипло к смоле. И более легкий способ: использовал рейку толщиной 5мм, и нажимом проделывал канавки.

Теперь можно испытать зеркало на теневом приборе.

Теневой прибор

Конструкция моего теневого прибора ясна из фотографии. Источник света – переделанный светильник. Зеркало будут держать всего два самореза, закрученные на вертикальную доску оправы.

Испытание зеркала

Если мое зеркало имеет продольную аберрацию равную 1002/8*1210 = 1,03 мм, то её можно считать вполне сферической. Преградил ножом Фуко фокальную плоскость и увидел слабый теневой рельеф похожий на сферическую, что меня, в общем-то, обрадовало. Если честно, то я пытался увидеть этот теневой рельеф часами.

Вместо вторичного зеркала

Вместо диагонального зеркала применил призму Амичи внутреннего отражения, так как сделать точное плоское диагональное зеркало очень сложно. Недостаток призмы: поглощает ультрафиолетовые лучи, что несколько ухудшает качество изображения.

Буду серебрить

Серебрение над алюминированием имеет ряд недостатков, главным из которых является быстрое просветление слоя серебра. Серебрить опасно для здоровья. Приведу только некоторые нюансы: серебрил зеркало задом вверх; серебром покрывается все, что соприкасается с раствором; приходиться в среднем 2,8г. азотнокислого серебра; 1,5 минуты держал зеркало в серебрящем растворе. Серебрение зеркала прошла удачно. Зеркало отражало примерно 60% света. А ведь именно таких результатов добивались ученые-оптики давних времен, такие как Исаак Ньютон.

Сбор телескопа

Оправа для зеркала

Конструкция оправы зеркала видна на фотграфии. Легко юстируется и закрепляется. Зеркало разгрузил на четыре точки, которыми послужили четыре канцелярские стерки.

Размещение призмы

Я сделал вынос равный 40мм. Конструкция оправы для призмы Амичи понятна из фотографии. Оправа легка и проста в изготовлении.

Ортоскопический окуляр

Разобрал старый бинокль, откуда вынул шесть линз и призму Амичи. Из готовых линз собрал окуляр ортоскопической системы. В общем, система такова: двояковогнутая +двояковыпуклая→ двояковыпуклая →выпукло-плоская→ глаз наблюдателя.

Чтобы приспособить окуляр к телескопу и перемещать систему линз вперед и назад, решил изготовить вот такую деталь:

Труба телескопа

Размеры досок указаны на чертеже. Длина трубы составила: фокусное расстояние 605мм + оправа зеркала 95мм (с запасом) + расстояние от окуляра 100мм = 800мм. Тогда угол поля зрения телескопа W = 206265*(120-100)/700 = 5893 сек = 1,6°, а линейное поле зрения d=W*f/206265 = 5893*605/ 206265 = 17,2мм.

Зачернение деталей

Я комбинировал два способа зачернения. Вырезав под размер черный материал и закрепив мелкими саморезами, нанес черную краску. В результате, материал дает матовость, а черная краска в достаточной мере рассеивает свет.

Основание штатива

Я сделал штатив в виде креста. Самое проблемное – это детали. Вот несколько моих чертежей:

Деталь, которую использую для поворота телескопа в горизонтальном и в вертикальном направлении под номером №4 и №5 соответственно.

Общий сбор

Собрал все детали в единый предмет - телескоп. Сообщу свои финансовые расходы: для изготовления такого телескопа мне потребовалось примерно 2000 руб.

Качество изображения

Присутствуют сферическая аберрация. Я убедился, что при отсутствии опытного помощника, неимения своего опыта и имении ограниченных финансовых расходов изготовить хороший телескоп довольно сложно.

Я заметил, что уже через неделю после серебрения, покрытие просветлело примерно до 50%,а уже через месяц – до 30-40%, поэтому пришлось зеркало алюминировать, что также было большой проблемой.

В дальнейшем я собираюсь приспособить систему Ломоносова-Гершеля к этому телескопу. Это мне даст возможность исследовать особенности каждого из систем.

Я получил большой бесценный опыт, да и научился многому. Делать что-то своими руками – это всегда увлекательно, интересно и полезно. Мною были выполнены все поставленные задачи. Я изучил литературу, исследовал системы и этапы изготовления телескопа; выдвинул метод определения потери света при её отражении от отражающей поверхности и ее влиянии на увеличение телескопа; отметил некоторые соображения, поправки и улучшения деталей, приборов и самого процесса изготовления; выполнил необходимые расчеты и собственные чертежи, с помощью которых изготовил детали и приборы; выявил мною допущенные ошибки и неудачи.

Я считаю, что мной проделанная работа окажет значимую помощь начинающим в изготовлении самодельного телескопа с минимальными затратами, ошибками и с качеством получаемого изображения, которой ни чуть не уступит фабричному.