В некоторых случаях выгоднее вместо сплошного сечения взять отдельные стержни в самых напряженных поясах (правая колонка на рис. 44). Так, консоль превращается в кронштейн (рис. 44, а, б), а балка -- в плоскую ферму (рис. 44, в -- е). Консоль имеет растягиваемый верхний и сжимаемый нижний пояса, поэтому выгодно нижний пояс делать из достаточно толстого стержня, а верхний -- из тонкой трубы, называемой растяжкой или вантой.
Очень интересная система -- ферма. Она представляет собой комбинацию стержневых треугольников, построенных так, что одна из сторон треугольника служит основанием другого треугольника. При этом любые нагрузки, приложенный, в вершинах треугольников, вызывают в стержнях только растяжение или сжатие и никогда изгиб. Это позволяет применить значительно более тонкие стержни, чем в сплошных балках при той же жесткости. Нагружение стержня в середине его пролета в фермах нерационально и никогда не применяется.
Здесь нужно оговориться, что это относится только к случаю, когда стержни соединены между собой шарнирами, как, например, показано на рис. 44. На практике вместо шарниров часто применяют жесткое соединение стержней. В этом случае ферма работает несколько иначе, но в основном она остается фермой с ее основными свойствами.
На рис. 47 показаны различные случаи, когда разомкнутые конструкции выгодно заменить замкнутыми, а прямоугольники из стержней -- системой треугольников.
Рис. 47. "Разомкнутые" и "замкнутые" системы.
43 НЕБЕСНАЯ СФЕРА И СИСТЕМЫ НЕБЕСНЫХ КООРДИНАТ
Прежде чем перейти к описанию монтировок телескопов, необходимо кратко рассказать о небесных координатах.
Небесная сфера -- воображаемая поверхность, не имеющая определенного радиуса. Мы видим эту сферу изнутри, и ее центр находится точно там, где расположен наблюдатель.
Рассмотрим основные точки и круги небесной сферы (рис. 48), для чего выделим из двух сфер, изображенных на рисунке, наружную. Точки пересечения
воображаемой оси вращения небесной сферы с самой сферой называются полюсами. Северный полюс мира (Р) виден в северном полушарии Земли, южный (Р') -- в южном. Близ Северного полюса расположена Полярная звезда. Близ Южного нет сколько-нибудь заметной звезды.
Рис. 48. Подвижная и неподвижная экваториальные системы координат.
Неподвижная система нанесена на наружную сферу, подвижная -- на внутреннюю. Горизонт и меридиан, не участвующие в суточном вращении, на подвижную сферу нанесены штриховыми линиями.
Высоту полюса мира над горизонтом можно измерять в градусах, она равна географической широте места наблюдений (j).
Большой круг сферы, проходящий через точку севера (С, полюс (Р), зенит (Z) и точку юга (Ю), называется небесным меридианом. Меридиан делит небо на два полушария -- восточное и западное.
Линия пересечения плоскости земного экватора с небесной сферой называется небесным экватором. Каждая точка экватора удалена от полюса на 90º. Малые круги, плоскости которых параллельны плоскости экватора и вдоль которых происходит суточное движение светил, называются суточными параллелями.
Экватор проходит через точки востока (В) и запада (З). В южной части неба он максимально поднимается над горизонтом. Точка пересечения экватора с меридианом поднимается над горизонтом на высоту 90º-j.
Для уверенного поиска светил, особенно слабых и невидимых невооруженным глазом, созданы системы небесных координат. Мы рассмотрим только две из них -- неподвижную (первую) экваториальную (наружная сфера на рис. 48) и подвижную (вторую) экваториальную (внутренняя сфера). Разделение сферы на две -- условное, нужное для того, чтобы яснее различать обе системы.
В обеих системах координат одна координата общая. Эта координата указывает кратчайшее на небесной сфере расстояние светила от небесного экватора. Она называется склонением светила (d).
Если светило лежит на экваторе, его склонение равно 0º. Склонение северного полюса +90º, южного --90º. Склонение звезды Денеб (a Лебедя) равно 44º55', склонение звезды Ригель (b Ориона) равно --8º19'.
Вторая координата в каждой системе своя. В первой системе (наружная сфера на рис. 48) -- это часовой угол (t). Часовой угол измеряется от меридиана до светила. По мере вращения небесной сферы часовой угол светила непрерывно меняется, поэтому его удобно измерять в часах, минутах и секундах (ч, м, с или латинскими буквами h, m, s) от меридиана по ходу вращения небесной сферы (по часовой стрелке). Каждый час часового угла равен 15º в угловой мере. Предположим, сейчас меридиан пересекает Капелла (a Возничего), и ее часовой угол равен нулю. Через час часовой угол Капеллы станет 1h (15º), еще через полтора часа 2h 30m (37º,5). Эта система удобна для снабжения телескопа координатным кругом по часовому углу, но неудобна для составления каталогов и звездных атласов. Для каталогов принята вторая (подвижная) система координат (внутренняя сфера на рис. 48). Склонение здесь определяется так же, как и в первой системе, а вместо часового угла служит прямое восхождение (a), которое отсчитывается от так называемой точки весеннего равноденствия до светила против вращения небесной сферы (против часовой стрелки). Так как точка весеннего равноденствия (g) участвует в суточном вращении небесной сферы, вся система координат оказывается подвижной относительно наблюдателя, но
неподвижной относительно звезд. Прямое восхождение отсчитывается также в часах, минутах и секундах. Если сейчас меридиан пересекает светило с прямым восхождением 0h0m, то час спустя его пересечет светило с прямым восхождением 1h0m.
Интересно, что, так называемые звездные сутки начинаются в момент, когда меридиан пересекает точка весеннего равноденствия g В этот момент звездное время всегда равно 0h. Значит, прямое восхождение светил, пересекающих в данный момент меридиан, равно звездному времени в данный момент. Например, если сейчас меридиан пересекает Вега (a Лиры), прямое восхождение которой равно 18h34m, то звездное время равно 18 ч 34 мин. Это очень удобно, так как, взглянув на часы, идущие по звездному времени, мы можем сразу узнать прямое восхождение светил, проходящих меридиан. Предположим, сейчас 5 ч звездного времени. Это значит, что меридиан проходят звезды с прямым восхождением 5h. Но нам надо найти слабую галактику, прямое восхождение которой 3h. Так как прямое восхождение отсчитывается против вращения небесной сферы, нам надо повернуть телескоп к западу от меридиана на 2h. Но этому соответствует часовой угол 2h. Значит, установив на координатном круге телескопа часовой угол 2h, мы приведем галактику в поле зрения.
Звездные сутки--время полного обращения Земли относительно звезд -- на 4 минуты короче солнечных. Дело в том, что благодаря обращению Земли вокруг Солнца мы видим, как оно постепенно перемещается среди созвездий. Каждые сутки оно перемещается приблизительно на 1º к востоку, двигаясь в том же направлении, что и Земля, при вращении вокруг оси. Поэтому солнечные сутки на 4 минуты длиннее звездных. Мы живем по солнечному времени, но телескоп поворачивать за звездами надо со скоростью один оборот за звездные сутки. Это и вынуждает нас мириться с некоторыми неудобствами. О том, как перенести гражданское время, по которому мы живем, в звездное, можно прочесть в соответствующих руководствах [23, 24].
Итак, чтобы найти на небе звезду, которую мы не видим простым глазом, или если и видим, но не можем ее выделить среди мириад звезд, нужно воспользоваться координатными кругами телескопа и координатами звезды, которые можно найти в каталогах или на подробных картах, а для слабых планет (Уран, Нептун) и астероидов -- в астрономическом календаре. Координаты комет публикуются в кометных циркулярах. Во всех этих случаях мы можем путем несложных вычислений по прямому восхождению определить часовой угол светила. 44. ТИПЫ МОНТИРОВОК
Каждый телескоп снабжается штативом, позволяющим направлять телескоп в любую точку небесной сферы и закреплять его в этом положении. Так как небесная сфера совершает суточное движение, штативы телескопов, называемые монтировками, нередко снабжаются часовыми приводами, которые чаще всего представляют собой электромоторчик мощностью в 7--15 ватт, который через систему шестерен вращает весь телескоп со скоростью один оборот в сутки.
Большинство земных зрительных труб снабжается так называемыми азимутальными монтировками. Азимутальная монтировка имеет две оси -- вертикальную и горизонтальную. На рис. 49 показаны несколько азимутальных монтировок для небольших телескопов.
Первая монтировка (а) представляет собой образец чрезвычайной устойчивости и простоты. Ее нижний конец опирается на два ролика, катящиеся по куску гладкой доски. У окулярного конца -- две ручки, связанные с роликами стержнями. Вращая ручку, мы заставляем вращаться ролики, а телескоп медленно поворачивается по горизонтали. Для грубого наведения по высоте выдвигаем две ножки, а для тонкого вращаем винт, который поднимает или опускает верхний конец. Эта монтировка предложенная в прошлом веке А. Холкомбом, в наше время переживает свое возрождение. Она пригодна для визуальных наблюдений, особенно комет и объектов Мессье, и фотографических наблюдений Солнца.
Вторая монтировка (б) предназначена для рефлекторов, с помощью которых ведутся только визуальные наблюдения туманностей, скоплений, галактик и комет. Эта довольно простая монтировка делается из многослойной фанеры (8--10 мм) с небольшим использо
ванием металлических деталей. Она подробно описана ниже ( 53). Это так называемая азимутальная вилка.
Рис. 49. Азимутальные монтировки а) Монтировка Холкомба, б) азимутальная вилка, в) кометоискатель Бредфилда.
На рис. 49 в изображен кометоискатель - короткофокусный рефрактор известного ловца комет Бредфилда (Австралия). Это также вилка, но с небольшими изменениями. Предыдущая монтировка предназначена для телескопов с относительным отверстием 1/4--1/6. Монтировка Бредфилда может применяться с телескопами, имеющими длинные трубы. Для этого ее консоли несколько отогнуты в сторону, а для противодействия дрожанию имеется стержень, который при наведении телескопа на светило открепляется, а затем закрепляется.
Все описанные монтировки страдают тем недостатком, что наблюдатель, следящий за суточным движением светила, вынужден поворачивать время от времени телескоп сразу по двум координатам. Это приходится делать тем чаще, чем больше увеличение телескопа.
Если вертикальную ось азимутальной монтировки наклонить на угол, равный широте места наблюдений, и направить ее на полюс мира, то она станет параллельной земной оси (направление, указанное стрелкой на рис. 50). Поворачивая телескоп только вокруг этой оси, мы сможем удерживать светило неопределенно долго в поле зрения телескопа. Эта ось носит название полярной оси, а вся монтировка -- полярной или экваториальной.
Разумеется, все из перечисленных ранее монтировок можно превратить в экваториальные, если их вертикальные оси наклонить, как было сказано. Конечно, несимметричные монтировки потребуют противовеса, который будет уравновешивать трубу относительно полярной оси. Чаще всего противовес устанавливается на продолжении оси, перпендикулярной к полярной и называемой осью склонений. Поворачивая телескоп вокруг полярной оси, мы изменяем часовой угол, а при повороте вокруг оси склонений изменяем склонение.
На экваториальной "немецкой" монтировке крепятся небольшие телескопы. Монтировка асимметричная и требует противовеса, который для небольших телескопов незначительно увеличивает вес всей установки (рис. 50, а, б). Подробнее о монтировке мы расскажем ниже.
"Немецкая" монтировка имеет тот недостаток, что при прохождении светила через меридиан в районе от зенита до точки севера труба своим нижним концом упирается в колонну. Телескоп приходится "перекладывать", повернув на 180º по склонению и на 12 ч по прямому восхождению. После этого наблюдения можно продолжать. Чтобы избежать этого, колонну изгибают
Рис. 50. Немецкие монтировки.
а) Монтировка с регулируемым наклоном полярной оси, б) монтировка со складным штативом из 10-миллиметровой фанеры, в) монтировка из толстых водопроводных труб, г) монтировка с опущенным противовесом.
под углом, равным широте места, или увеличивают длину полярной оси и опускают опору (рис. 50, в, г).
Если полярную ось удлинить и опереть на две опоры, монтировку можно сделать значительно жестче. Такая монтировка называется английской (рис. 51,а,б).
Чем больше вес телескопа, тем больше должен быть противовес и тем больше прогибается полярная ось. Можно "раздвоить" полярную ось, превратив ее в ярмо
(Рис.51, в )
Труба крепится на полуосях, а ярмо вращается на двух подшипниках, установленных на двух опорах - северной и южной. Ярмо делает недоступной полярную область неба. Это не очень страшно, так как в околополярной области мало интересных объектов. Однако можно преодолеть этот недостаток ярма, несколько искривив его две длинные балки. Ось склонений несколько переместится с полярной оси, и телескоп можно будет направить на полюс мира, но это дается ценой установки противовеса (рис. 51, г).
Чтобы оставить ярмо симметричным и избежать применения противовеса, при строительстве 5-метрового телескопа обсерватории Маунт Паломар было решено северный подшипник ярма выполнить в виде подковы, в которую погружается телескоп во время наблюдений около полюса мира*). Эта подкова в любительских монтировках катается на двух небольших роликах, как это показано на рис. 52, а.
*) Этот тип монтировки предложил в начало века художник, полярный исследователь и любигель телескопостроения Рассел Портер. Когда в 30-е годы он был привлечен к строительству 5-метрового телескопа обсерватории Маунт-Паломар, он применил этот тип монтировки для телескопа-гиганта. Портер предложил многочисленные варианты устойчивых и удобных и работе монтировок [14].
Подшипники полуосей оси склонений можно установить на подкове, как это сделано у 4-метровых телескопов обсерваторий Китт Пик и Серро Тололо. В этом случае удается свести к минимуму прогибы всей монтировки и при том же весе добиться большей жесткости (рис. 52, б).
Если подкову снабдить консолями, чтобы нижняя часть трубы свободно проходила, не задевая плоскости подковы, то подкову можно заменить сплошной шайбой, как это сделано у 2,6-метровнх телескопов Крымской астрофизической обсерватории и Бюраканской обсерватории. Полярной осью здесь служит собственно шайба, которая в любительских монтировках, как и подкова, катается по двум роликам и фиксирована в центре короткой осью (рис. 52, в).
Если шайбу заменить на поперечную балку, называемую траверсой, и обычную полярную ось, получится монтировка, называемая вилочной (рис. 52, г). Это, пожалуй, наиболее распространенная у профессиональных телескопов монтировка. Обычно к числу ее достоинств причисляется отсутствие противовеса. Это действительно преимущество, если длина труби не слишком велика. В противном случае консоли вилки становятся слишком длинными и нежесткими, а если мы нагрузим нижний конец труби, чтобы приблизить центр масс трубы к ее нижнему концу и тем самим
укоротить консоли, то мы лишим монтировку ее главного преимущества: она становится тяжелой.
Многообразие монтировок для телескопов не исчерпывается описанными. Существует довольно много монтировок специального назначения, а также разновидностей описанных. Однако на этом, пожалуй, нужно остановиться и перейти к конструктивным решениям отдельных узлов механики телескопа. 45. КОНСТРУКЦИЯ ОПРАВЫ ГЛАВНОГО ЗЕРКАЛА
Если зеркало с оправой установлено внутри трубы, то оно достаточно защищено. Поэтому оправа может быть довольно простой и легкой (рис. 53). Она состоит из опорной пластины 3, которая в трех точках крепится к трубе с помощью уголков 4. Эта пластина несет
Рис. 53. Конструкция оправы зеркала.
1--зеркало, 2--пластина-оправа зеркала, 3--опорная пластина, 4--уголок, 5--винты, 6 -- резиновая трубка, 7--гайка, 8--барашек, 9 -- возвратная пружина, 10 -- кружки из фетра, картона и т. п.
на себе другую пластину 2, которая служит собственно оправой зеркала. Зеркало 1 удерживается тремя винтами 5 диаметром 6--8 мм. Для того чтобы при резком охлаждении ночью зеркало не оказалось зажатым этими винтами, между ними и зеркалом надо оставить зазор около 0,5 мм. Еще лучше на эти винты надеть резиновые или пластмассовые трубки 6. Эти трубки будут компенсировать различие в температурных деформациях стекла и металла оправы. В этом случае зазора между трубками и зеркалом можно не оставлять, однако надо проследить, чтобы зеркало не оказалось зажатым.
Зеркало опирается на три "точки". Эти "точки" в действительности представляют собой три кружка из фетра, толстой кожи, войлока, толстого картона 10. Диаметры этих кружков должны составлять 1/8--1/10 диаметра зеркала. Они приклеиваются к пластине каким-нибудь синтетическим клеем, например эпоксидной смолой. Зеркало укладывается на эти кружки, и чтобы оно не выпало при случайном опрокидывании оправы, его фиксируют тремя специальными широкими гайками 7, которые навинчиваются на три винта, удерживающие зеркало. Считается, что зеркало должно немного "играть" в оправе. Для этого достаточно, чтобы между зеркалом и удерживающей его деталью был зазор около 0,2--0,3 мм.
Для точной установки зеркала относительно оси трубы и других оптических деталей оно вместе с оправой должно в небольших пределах наклоняться (юстироваться). С этой целью наша оправа и снабжена винтами 5, барашками 8 и возвратными пружинами 9, надетыми на эти винты. В опорной пластине 3 просверливаются гладкие отверстия, а в оправе 2 -- отверстия с резьбой. При навинчивании барашка угол оправы опускается, а при вывинчивании возвратная пружина поднимает его вверх. Благодаря этому механизму можно легко и с высокой точностью установить (отъюстировать) зеркало в телескопе.
Если зеркало тонкое, его надо разгрузить не на три точки, а на шесть. Это делается при помощи V-образных коромысел (рис. 54, а, б, в). Каждое плечо коромысла служит одной "точкой". Тогда зеркало кладется на все три равноудаленных коромысла, они легко устанавливаются так, что на каждое из плеч приходится совершенно одинаковая нагрузка. Это нам и надо. Важно только, чтобы от нагрузки коромысла не деформировались. Для 150-миллиметрового зеркала нужно взять сталь или латунь толщиной 1,5--2 мм или алюминий -- 3 мм. Остальные размеры можно взять с рис. 54, г. При переходе к большему зеркалу эти размеры нужно пропорционально увеличить, а толщину можно оставить той же. Жесткость коромысла увели
чим добавлением одной "тяги", как показано на рис. 54, б. Можно отлить коромысла с ребрами жесткости из алюминия, силумина и т. п. (рис. 54, в). О том, как это сделать в любительских условиях, рассказано ниже.
Большое достоинство описанных оправ состоит в том, что зеркало в них обдувается воздухом со всех
Рис. 54. Оправа с разгрузкой на шесть точек.
сторон. Это означает, что оно скорее принимает температуру окружающего воздуха при резких ее перепадах, например когда телескоп выносят на улицу.
Эти оправы применяются в подавляющем большинстве телескопов Новосибирского клуба им. Д. Д. Максутова, иногда с незначительными изменениями. Они хорошо работают в телескопах диаметром по крайней мере до 300--350 мм. Только вместо пружин в случае тяжелых зеркал применяются возвратные винты, которые установлены в отверстиях с резьбой в опорной пластине и своим верхним концом упираются в нижнюю часть оправы. Прежде чем опустить край оправы, надо ослабить этот возвратный винт, а потом притянуть оправу барашком. Для подъема края оправы надо ослабить барашек и приподнять оправу возвратным винтом. Аналогичные оправы применяются многими зарубежными фирмами в серийных любительских телескопах Ньютона диаметром до 300--320 мм. 46. ОПРАВА ДИАГОНАЛЬНОГО ЗЕРКАЛА
Диагональное зеркало или призма в системе Ньютона устанавливается внутри трубы на верхнем ее конце. В небольшом телескопе диаметром до 140--150 мм лучше всего применить стойку, вырезанную из латунной или стальной пластины толщиной 1,5--2 мм, или же алюминиевой до 3 мм. Алюминий для этих целей надо брать мягкий, чтобы он легко гнулся без изломов под углом 90º. Стойка вырезается ножницами по металлу и потом гнется, как показано на рис. 55, а. Зеркало тыльной стороной приклеивается к стойке на картонной или кожаной прокладке для компенсации различных для стекла и металла температурных деформаций. Можно его приклеить мягким клеем типа "герметик", но только в центральной части, а не по всей поверхности. В этом случае можно обойтись без прокладки.
Призма вклеивается нерабочими треугольными матовыми плоскостями. Нужно следить, чтобы клей не попадал на рабочие, отполированные грани призмы. Особенно опасен канцелярский клей, после которого на поверхности полированного стекла остаются матовые неудаляемые пятна. Вообще же канцелярский клей хорошо склеивает металл со стеклом, бумагой и стекло с бумагой. Правда, через 3--4 месяца клей разрушается. Поэтому его можно применять для временных соединений. Между призмой и стойкой должны быть прокладки из бумаги или тонкого картона толщиной 0,5--1 мм.
Юстируется такая оправа изгибанием стойки, если надо зеркало сместить к оптической оси главного зеркала, перемещением вдоль оси в продолговатых отверстиях для винтов, кренящих стойку к стенке трубы, подкладыванием шайб между стенкой трубы и основанием стойки для наклона, подъема или опускания зеркала. Оправа со стойкой зарекомендовала себя
очень хорошо, она проста в изготовлении и удобна в работе.
Для телескопов диаметром больше 200 мм лучше применить систему растяжек, так как толщина стойки
Рис 55 Оправа на стойке для 45 градусной призмы и оправа на растяжках для диагонального зеркала.
1-винт с барашками, 2 - юстировочные винты, 3 - винт с возвратной пружиной, 4 --лапки.
будет увеличиваться пропорционально квадрату ее длины. Так, для 300-миллиметрового главного зеркала толщину стойки придется увеличить с 1,5 мм до 6 мм. Рис. 55, б поясняет устройство растяжек и оправы.
Растяжки работают только на растяжение и потому могут быть тонкими. Для телескопа диаметром 200-250 мм они могут иметь толщину 0,5--0,7 мм. Их можно сделать из жести или кровельной стали. Растяжки должны быть хорошо натянуты. На концах каждой из них крепятся длинные винты-шпильки 1, которые вставляются в отверстия в трубе так, что их концы оказываются снаружи. На эти концы наворачиваются гайки, ими растяжки и натягиваются.
Конструкция оправы ясна из рисунка. Винтами с барашками 1 оправа крепится к трубе. Ее юстировка производится тремя юстировочными винтами 2 и одним винтом 3 с возвратной пружиной. Пружину можно убрать и стопорить оправу этим центральным винтом.
Зеркало крепится к срезанной под углом 45º части оправы четырьмя лапками из 1-миллиметровой латуни или стали 4, которые приворачиваются к оправе небольшими винтами. 47. ОКУЛЯРНЫЙ УЗЕЛ
Среди наблюдателей, работающих с телескопом, могут оказаться не только люди с нормальным зрением, но и близорукие и дальнозоркие. Для близорукого глаза окуляр приходится несколько приблизить к зеркалу, для дальнозоркого -- отодвинуть. Величину, на которую надо переместить окуляр, можно определить по формуле
где Д--число диоптрий близорукого или дальнозоркого глаза (для близорукого эта величина берется со знаком "минус", для дальнозоркого--со знаком "плюс"), ф -- фокусное расстояние окуляра в миллиметрах. Например, близорукость наблюдателя --3 диоптрии, фокусное расстояние окуляра 40 мм. Перемещение окуляра составит
Чем больше близорукость (или дальнозоркость) наблюдателя, тем больше придется передвигать окуляр. Наоборот, чем меньше фокусное расстояние окуляра, тем
меньше надо его передвигать при той же близорукости. По приведенной формуле читатель без труда определит, насколько ему придется передвигать окуляр, а значат, и сможет вычислить необходимую длину окулярной трубки.
Есть еще несколько причин, по которым приходится передвигать окуляр, добиваясь наилучшей фокусировки. При изменениях температуры воздуха из-за температурных деформаций зеркала его радиус кривизны и фокусное расстояние изменяются, поэтому требуется некоторая перефокусировка окуляра. Перефокусировка требуется и при смене окуляров из-за небольших ошибок в размерах их оправ. При наблюдении земных предметов, когда расстояние до предмета не равно "бесконечности", приходится слегка выдвигать окуляр; этот эффект уже хорошо заметен при фокусном расстоянии зеркала 1000 мм и расстоянии до объекта менее 1,5--2 км.
Исходя из этих предпосылок, выберем простейшую конструкцию фокусировочного устройства (рис. 56, а). Оно состоит из двух трубок: неподвижной 1, которая крепится непосредственно к трубе телескопа, и подвижной 2, которая с трением, но плавно перемещается в первой. Трубки эти можно подобрать, выточить или склеить из ватмана эпоксидной смолой. Этот материал по свойствам напоминает пластмассу. Трубки склеиваются на болванках подходящих диаметров. Толщина стенок 1,5--2 мм.
Большую по диаметру трубку вклеивают в круглое отверстие в стенке трубы телескопа, которое сначала высверливается по окружности дрелью, а потом обрабатывается полукруглым напильником. Чтобы склейка была прочной, смочим в эпоксидной смоле жгутик из ваты, следя за тем, чтобы вата полностью пропиталась смолой, и проконопатим этим жгутиком место склейки, чтобы образовался плотный шов. После затвердевания смолы обрабатываем шов напильником.
Вставим меньшую трубку в первую и станем, слегка поворачивая ее, вдвигать или выдвигать. Чтобы трубка не проваливалась в неподвижную, на краю подвижной надо сделать бортик. В случае бумажно-клеевой трубки это может быть несколько слоев бумажной полоски, наклеенной на край трубки. Окуляр вставляется в подвижную трубку также на трении.
Можно несколько усовершенствовать это устройство, если на наружной трубке просверлить серию одинаковых отверстий вдоль спиральной линии, а потом распилить их надфилем, чтобы получился криволинейный направляющий паз одинаковой ширины. В под-
вижной трубке сверлится отверстие и нарезается метчиком резьба для винта М4--М6. Вставив винт в направляющую щель, ввернем его в отверстие с резьбой в подвижной трубке. Ведя за винт 3, можно с удобством перемещать подвижную трубку. Вместо стандартного винта лучше сделать специальный поводок. Для
этого на стержне подходящего диаметра нарезаем леркой резьбу на длину чуть больше толщины стенки подвижной трубки. Остальную часть стержня оставляем гладкой.
Если вы имеете доступ к токарно-винторезному станку, можно и подвижную трубку снабдить резьбой с шагом около 2 мм (Рис. 56, б). Резьбу лучше сделать однозаходную: так и проще и удобнее. В этом случае неподвижная трубка должна быть снабжена фланцем 5, с помощью которого она крепится к трубе телескопа. Подвижная трубка снабжается валиком с накаткой 4. Для того чтобы окуляр надежно держался на своем месте, надо на конце подвижной трубки сделать пропилы, как показано на рис. 56, а, в, и несколько подогнуть внутрь образовавшиеся концы.
Будет хорошо, если удастся достать старое фокусировочное устройство микроскопа с кремальерой: специальной зубчатой гребенкой, по которой катится зубчатое колесо с тем же шагом зубьев *). На валу этого колеса установлена ручка -- штурвальчик, которую наблюдатель вращает. Зубчатое колесо толкает гребенку, а та в свою очередь заставляет подвижную трубку с окуляром передвигаться вдоль оси. 37).
Если у вас есть доступ к фрезерному станку, можно гребенку нарезать прямо на подвижной трубке. Для этого, выточив и тщательно подогнав подвижную трубку к неподвижной, устанавливаем подвижную трубку в тисках фрезерного станка перпендикулярно к дисковой фасонной зуборезной фрезе и начинаем последовательно нарезать зуб за зубом, перемещая каретку с тисками вдоль оси трубки каждый раз на величину шага, который надо предварительно замерить на специально подобранной широкой шестеренке, которая будет служить в окончательно собранном узле. Детали этого устройства хорошо видны на рис. 55, в.
Длина подвижной трубки должна быть такой, чтобы при самом большом выдвижении она на 1,5 своего диаметра оставалась в неподвижной трубке.
Внутренний диаметр подвижной трубки выбирается из расчета, чтобы стенки трубки не срезали конуса лучей. Приблизительно этот диаметр можно определить, если к диаметру конуса лучей в том сечении его, где он входит в трубку, прибавить линейный поперечник поля зрения. Если при определении размеров диагонального зеркала мы допускали некоторое виньетирование пучка на краю, то в случае с окулярной трубкой виньетирование должно быть исключено, так как край трубки расположен слишком близко к фокальной поверхности и границы срезаемой части слишком резки. Поэтому виньетирование лучше всего полностью исключить. 48. ТРУБА
В многочисленных руководствах по любительскому телескопостроению постоянно указывается на то, что большая масса телескопа -- залог его высокой жесткости. Эта тенденция, до сих пор широко бытующая в любительской среде, приводит просто к курьезным последствиям. Складывается впечатление, что часто любители соревнуются в том, кому удалось сделать телескоп самой большой массы. Известны 150-миллиметровые рефлекторы массой 500--800 кг. Их трубы-- нередко стальные цилиндры с толщиной стенок 3--5 мм! Для сравнения укажем, что грамотно сконструированная и снабженная ребрами жесткости труба 600--700-миллиметрового телескопа обычно имеет толщину стенок 2--3 мм. Еще более разительные результаты мы видим, когда профессиональный конструктор, комплексно подходя к задаче, не только "выжимает" максимум возможного из механической части телескопа, но еще и выбирает рациональную оптическую схему. Так, например, телескоп системы Шмидта -- Кассегрена "Силестрон-14", имеющий действующее отверстие диаметром 350 мм и эквивалентное фокусное расстояние 3500 мм, настолько легок, что его переносит один человек! Правда, оптическая система Шмидта-- Кассегрена слишком сложна для начинающего любителя, зато вполне в его силах проявить максимум осмотрительности при выборе механических конструкций узлов телескопа, чтобы при максимальной и вполне разумной жесткости получить минимальную
массу телескопа. Кроме чисто эстетической стороны этой инженерной задачи, есть еще и утилитарная сторона дела: большинство любителей не имеет постоянной обсерватории и вынуждено выносить телескоп на площадку чаще всего в одиночестве.
Из существующего многообразия конструкций трубы телескопа выберем круглую трубу. Описанная в книге М. С. Навашина и других руководствах "чикинская доска" слишком примитивна и требует ненамного меньше труда, чем описанная здесь круглая труба. Квадратная труба, сделанная из дерева, слишком тяжела, а сделанная из металла (например, алюминия) слишком трудоемка при посредственных качествах. Фермы, в том числе ферма Серрюрье [1], и предварительно напряженная ферма А. Н. Подъяпольского [4, 6] слишком трудоемки и рациональны только для сравнительно больших телескопов, когда другого разумного решения просто нет. При диаметре зеркала до 300--400 мм и ее длине до 2--2,5 м нет смысла отказываться от круглой тонкостенной трубы.
Заметим, что многие зарубежные фирмы на протяжении уже двух десятилетий выпускают такие трубы подобных размеров, склеенные из стеклоткани, а, начиная с конца 70-х годов, многие из них перешли на бумажно-клеевые трубы как еще более рациональные. Для телескопов указанных размеров жесткость этих труб вполне достаточна, а масса несоизмеримо меньше массы металлических.
Если диаметр трубы небольшой, подберем болванку из дерева, металлическую или асбоцементную трубу с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы телескопа. Этот последний должен быть на 25-- 30 мм больше диаметра зеркала, но если размеры оправы вынуждают взять больший диаметр, значит, надо его увеличить. На эту болванку плотно наматываем два слоя газетной бумаги, и чтобы она не разматывалась, "прихватываем" канцелярским клеем или изолентой. После этого смазываем газету каким-нибудь маслом, чтобы она впоследствии не прилипла к эпоксидной смоле.
Приготовим 150--200 г эпоксидной смолы. Оборачиваем болванку одним слоем ватмана без смолы и после этого намазываем полосу шириной 200--300 мм вдоль трубы смолой на внутренней стороне бумаги. Намазывать лучше всего широкой лопаткой в виде шпателя, постоянно следя за тем, чтобы слой смолы был одинаковой толщины и без неоднородностей. Нужно, чтобы ватман наматывался совершенно ровно, не перекашиваясь при намотке. После примерки наматываем смазанную часть на болванку и намазываем еще 200--300 мм. Наматывая ватман, очень важно следить за тем, чтобы между слоями не образовывалось пустот. Если это произошло, нужно постараться выдавить воздух, разглаживая лист. Если это не помогает, надо лезвием бритвы надрезать "пузырь" и выдавить воздух в разрез, разгладив бумагу.
Смола быстро твердеет, поэтому не нужно готовить ее более 200 г. Когда смола кончается, очень важно очистить посуду, не оставив твердеющей смолы, так как в следующей порции смолы будут попадаться твердые комочки, которые трудно устранить.
Обычно ширина листа ватмана недостаточна для полной длины трубы, в этом случае склеиваем две трубы длиной в ширину ватмана и половинной толщины. После затвердевания обеих половинок составляем их торцами и наворачиваем лист ватмана на стык. Для лучшей стыковки труб очищаем края от наплывов смолы и косо намотавшихся краев трубы. Навернув среднюю часть трубы, наворачиваем бумагу на ее концы. Ширина этих полос, разумеется, меньше полной ширины бумаги. Подобным образом поступаем, если длина болванки мала. Нужно следить за тем, чтобы швы всегда были "в разбежку" -- не совпадали один с другим. Важно, чтобы бумага или стеклоткань не просто склеивались, а хорошо пропитывались на всю толщину листа. Только в этом случае получается достаточно однородная и прочая масса. Поэтому нужно, чтобы смола была не слишком густой. Если она густа, можно добавить пластификатора или просто ацетона. Ацетон наливается в посуду, куда наложена густая смола без отвердителя и оставляется до полного растворения смолы. Обычно на это требуется около суток.
Общая толщина стенок трубы 150-миллиметрового рефлектора должна быть 3--4 мм, если труба склеена из ватмана и 2--3 мм, если из стеклоткани. Расчеты показывают, что жесткость на продольный изгиб 200-миллиметровой трубы (для 150--170-миллиметрового
зеркала) при толщине бумажных стенок 3--4 мм с эпоксидной смолой не ниже, чем жесткость на изгиб сплошного стального стержня диаметром около 65 мм. На первый взгляд этот результат кажется совершенно бессмысленным. Чутье подсказывает нам, что стальной стержень должен быть значительно жестче бумажного. Но если вспомнить, что сейчас речь идет только о жесткости при продольном изгибе трубы от совершенно равномерно распределенной по ней нагрузки, то такой результат удивлять не будет.
В действительности на трубу действуют несколько сосредоточенных нагрузок: вес оправы и зеркала, оправы диагонального зеркала, окулярного узла и, наконец, реакция опоры -- оси склонений, к которой прикреплена труба. Если на стенку тонкостенной трубы воздействовать большой сосредоточенной нагрузкой, например просто сильно надавить рукой, она прогнется, а может и проломиться. Для того чтобы этого не случилось, надо ввести несколько ребер жесткости, которые, мало добавляя в массе, значительно увеличат жесткость при сосредоточенных нагрузках. Эти ребра могут выглядеть как дополнительные кольца из металла или все той же бумаги или стеклоткани. На рис. 57, а показана такая труба в разрезе. Сначала склеиваются кольца толщиной примерно 4--5 мм и длиной по 100 мм для концов трубы и 200 мм для того места, где будет крепиться ось склонений. Потом на эти кольца наворачиваются слои собственно трубы. Ребра жесткости можно навернуть и сверху трубы, но при этом несколько пострадает внешний вид телескопа.
Если автору книги не удалось убедить читателя в целесообразности бумажно-клеевой трубы или трубы из стеклопластика, он может изготовить и металлическую трубу. Материалом здесь будет служить листовая, 0,5--0,8 мм, сталь или листовой алюминий. Толщина слоя алюминия 0,8--1 мм. В качестве ребер жесткости можно использовать три старые алюминиевые кастрюли с незавальцованными краями, дно которых вырезается с таким расчетом, чтобы оставался внутренний бортик шириной около 15 мм для нижнего конца трубы, 10 мм для средней части и около 5 мм для верхней части (рис. 57, б). Впрочем, от третьей кастрюли можно отказаться, если завальцевать верхний край трубы. Делается это с помощью плоскогубцев, которыми постепенно отгибая наружу край на ширину 8--10 мм, мы обходим всю окружность (рис. 56, г). После первого круга, когда край отогнут на 40--45º, повторяем операцию, отгибая кромку на 5--6 мм еще
а)
в) г)
Рис. 57. Конструкция круглой трубы. а) Бумажная труба, б) металлическая труба, в) клепка, г) вальцевание.
на 45º, наконец, отгибаем кромку шириной около 2--3 мм еще на 45º.
Продольный шов свернутого в трубу листа склепы выем (рис. 57, в) или соединяем болтами с гайками. Кастрюли так же приклепываются или соединяются с трубой винтами. Надо обязательно иметь в виду, что жесткой будет такая труба, где ребра жесткости (кастрюли без дна) будут вставлены в трубу с достаточным трением так, чтобы ребра слегка распирали трубу. 49. КРЕПЛЕНИЕ УЗЛОВ К ТРУБЕ
Даже после того как мы ввели ребра жесткости, надо рационально распределить внешние нагрузки. Под шляпки винтов, которыми опорная пластина
оправа зеркала крепится к трубе, надо подложить шайбы, чтобы увеличить площадь опоры шляпки. То же надо сделать во всех случаях, когда шляпка или гайка опирается непосредственно на бумагу или стеклоткань.
Окулярная трубка крепится к трубе с помощью фланца. Для того чтобы плоская поверхность фланца сочленялась с цилиндром трубы, на трубе надо сделать "прилив", имеющий плоскую поверхность. Вокруг круглого отверстия для пучка лучей на стенке трубы телескопа сделаем из пластилина два бортика -- один по диаметру отверстия, а второй- по наружному диаметру фланца. Высота бортика по всей окружности должна быть одинаковая и превышать наиболее высокую часть горизонтально положенного цилиндра трубы на 3-- 5 мм. Между двумя бортиками наливаем эпоксидную смолу. Чтобы в дальнейшем смола не растрескалась, ее надо армировать с помощью кусочков любой ткани, лучше стеклоткани. Эти кусочки погружаются в смолу, смачиваются в ней и укладываются между пластилиновыми бортиками. После того как высота этого слоя материи и смолы на 2--3 мм не дойдет до края бортиков, остановимся и, если надо, немного дольем смолы, чтобы поверхность "прилива" стала совершенно ровной. Осторожно положим трубу так, чтобы "прилив" образовал поверхность, перпендикулярную к оптической оси окуляра. После затвердевания смолы в "приливе", так же как и во фланце окулярной трубки, сверлятся отверстия для крепежных болтиков, которых должно быть 3 или 4 (см. рис. 56, а).
Можно поступить и иначе. Из 2-миллиметрового листа алюминия или 1--1,5-миллиметрового листа стали вырежем прямоугольник. Края его согнем, как показано на рис. 56, б, в. Сгибать нужно в тисках, постукивая молотком возле места, где пластина зажата.
После сгибания начертим чертилкой окружность того же диаметра, что и диаметр окулярной трубы. Высверлим дрелью или на сверлильном станке центральную часть окружности и обработаем ее край полукруглым напильником. Пластинку укрепим винтами на трубе, а к ней привернем фланец неподвижной трубки окулярного узла. Несмотря на кажущуюся слабость. такой пластины, узел получается очень жестким. Важно только, чтобы все три грани изогнутой пластины были прикреплены винтами к трубе, как показано на рис. 56,б,в.
Искатели (см. 59) чаще всего крепятся двумя различными способами. Наиболее распространен способ, когда искатель вставляется в два кольца, установленных на некотором расстоянии на трубе. Трубка
а)
б)
Рис. 58. Крепление искателей.
искателя поддерживается в каждом из колен, тремя винтами. Вращая головки винтов, мы можем наклонять оптическую ось искателя в ту или иную сторону. Кольца со стойками могут быть отлиты из алюминия или выточены на токарном станке, а дуги, с помощью которых они крепятся к трубе, можно вырезать и обработать вручную из 10-миллиметрового алюминия. На рис. 58, а показана форма стоек, благодаря которой нагрузка от искателя хорошо распределяется на довольно большую площадь.
Второй способ несколько напоминает юстировочное приспособление оправы главного зеркала. Здесь с помощью трех винтов и возвратных пружин юстируются два диска, один из которых жестко укреплен на трубе, а второй жестко скреплен с искателем (рис. 58, б).
Теперь, когда достроены труба и оправы зеркала и призмы, можно собрать телескоп и отъюстировать
Рис. 59. Юстировка телескопа Ньютона.
его. Кто-то сравнил рефрактор с роялем, всегда готовым к работе, а рефлектор со скрипкой, которую перед игрой надо настроить. Однако процесс юстировки ньютоновского телескопа прост, и делать это требуется 2-3 раза в год.
Рассмотрим процесс юстировки (Рис. 59). Из фокусировочной трубки вынимаем окуляр и смотрим на призму, следя за тем, чтобы верхний и нижний края трубки были видны строго концентричными -- это важно на протяжении всей юстировки (рис. 59, а). Дальше обратим внимание на положение призмы относительно трубки. Если центр призмы не совпадает с центром трубки, приведем ее в надлежащее положение (рис. 59, б). Как это сделать, сказано при описании конструкции оправ призмы и диагонального зеркала. Следующий шаг -- так наклонить призму в оправе, чтобы отражение главного зеркала в ней стало концентричным (рис. 59, в). Наконец, наклоняя главное зеркало с помощью юстировочных винтов оправы, добьемся того, чтобы и отражение призмы в главном зеркале стало концентричным со всеми деталями и их отражениями. В этот момент все детали окажутся на единой оптической оси телескопа (рис. 59, г), а в центре отражения призмы будет видно отражение глаза наблюдателя. В некоторых руководствах рекомендуется обозначить центры главного и вспомогательного зеркал (или призмы) перекрестиями из нитей. Однако при относительном отверстии 1/6--1/8 достаточно той точности, с которой это сделали мы.
Для того чтобы избежать отражений от внутренних стенок трубы и других деталей на пути пучка света, все они красятся черной матовой краской, например темперой или масляной краской, в которую добавлен для матовости скипидар. 50. УЗЛЫ ПРОСТОЙ НЕМЕЦКОЙ МОНТИРОВКИ
Простейшая немецкая монтировка, так же как азимутальная, может быть собрана из водопроводного тройника, нескольких обрезков труб и пары стопорных винтов (рис. 60). Для того чтобы ось склонений вращалась плавно, надо в тройник 1 добавить пару медных или латунных втулок 2. Для этого на концах толстостенной медной или латунной трубы подходящего диаметра нарезаем резьбу на токарном станке или специальным резьбонарезателем, который можно найти в любой сантехнической мастерской. После нарезания резьб отрезаем кусочки этих труб с таким расчетом, чтобы после того как концы с резьбами будут завернуты в тройник, втулка на 2--4 мм выступала из тройника, чтобы эти втулки не выворачивались, их можно "посадить" на какой-нибудь клей. В третий патрубок тройника вставим длинную трубку 3 -- это будет полярная ось.
Во втулки оси склонений вставляем собственно ось.
Это труба или стержень такой длины, чтобы на нем можно было укрепить как телескоп 5, так и противовес 6. Так как желательно, чтобы вес противовеса не
был слишком большим, нужно увеличить длину плеча, на котором крепится противовес. Конечно, удлинение это нужно сделать в разумных пределах -- скажем, длина плеча оси, где крепится противовес, может быть на 30--50% больше длины плеча, на котором крепится труба телескопа.
К оси склонений надо жестко прикрепить трубу. Для этого выточим или подберем фланец 7, в котором
Рис. 60. Узел осей монтировки.
1--тройник, 2--бронзовые втулки, 3--вертикальная (или полярная) ось, 4--горизонтальная ось (или ось склонений), 5--труба телескопа, 6 -- противовес, 7 -- фланец, 8 -- бронзовые втулки, 9 -- корпус вертикальной оси, 10--винт, предупреждающий выпадение оси, 11--стопорные винты (тормоза), 13 -- хомут.
просверлим отверстие того же диаметра, что и ось. Лучше, если это отверстие будет меньше на 0,1 мм. Тогда, нагрев фланец до температуры 100--150º, вставим в него ось. После остывания фланца его размеры сократятся, и он жестко "сядет" на ось. Если не удастся установить фланец на "горячую" посадку, придется в нем сделать два отверстия через 120º. В соответствующих местах оси просверлим отверстия и нарежем в них резьбу. После этого закрепим фланец на оси с помощью винтов. Для оси диаметром 25--30 мм нужно взять винты М6 -- М8. Можно плотно насадить фланец на ось с эпоксидной смолой или просто приварить его к оси. Если читатель в состоянии наладить у себя литье алюминия в его простейших формах, можно ось залить (заформовать) в пластину, к которой крепится телескоп. О том, как это сделать, рассказано дальше.
Противовес должен легко и просто закрепляться на оси, а в случае нужды легко перемещаться вдоль оси для балансирования. Кроме того, важно, чтобы во время работы противовес случайно не соскользнул с оси, когда этот конец направлен вниз. Чтобы избежать падения противовеса, лучше всего на отрезке оси, где он перемещается, нарезать резьбу. В центре же самого противовеса также надо нарезать резьбу. Теперь противовес легко перемещается по оси, а контргайка его надежно фиксирует. Можно и на гладкой оси установить противовес, который будет фиксироваться небольшим винтом, а для того чтобы противовес не упал, на конце оси установим небольшой винт, который задержит его, если он соскользнет.
Полярная ось прочно вворачивается в средний патрубок тройника. Нижний конец оси вставляется во втулки 8, плотно установленные в корпусе оси 9. Втулки могут быть установлены на "горячей" посадке, вставлены на клею или фиксированы винтами, проходящими сквозь трубку -- корпус оси. Для того чтобы оси не выпадали из корпусов, на концах последних следует ввернуть по винтику 10, которые входят в пазы, проточенные в осях.
Теперь полярную ось надо установить под углом к горизонту, равным широте места наблюдений. Проще всего ее приварить примерно под этим углом к вертикальной стойке, которая будет служить основанием монтировки. В одном из рефлекторов-кометоискателей клуба им. Д. Д. Максутова корпус полярной оси был прикреплен к стойке с помощью эпоксидной смолы и стеклоткани. В стойке предварительно был сделан срез под углом 55º к горизонту. После этого срез трубы был обработан напильником так, чтобы корпус полярной оси ложился на срез, как в ложе. Затем были нарезаны узкие (25--30 мм) полосы, которые смачивались эпоксидной смолой, и корпус оси приматывался ими к стойке. После затвердевания смолы стеклопластик обрабатывается напильником. Соединение осей
можно осуществить также с помощью литейной техники (см. 51).
Рис. 61. Пластины и хомуты для крепления трубы телескопа к оси склонений.
Наконец, рассмотрим простой способ крепления трубы телескопа к оси склонений. Фланец, наваренный или привинченный к концу оси склонений, имеет слишком малую площадь, чтобы к нему непосредственно можно было крепить бумажную или стеклопластиковую трубу. Поэтому к фланцу прикрепим шестью винтами М6 -- М8 прямоугольную пластину толщиной 10--12 мм, а уже к ней трубу. Чтобы плоскую поверхность пластины сочленить с цилиндрической трубой, надо на концах пластины укрепить пару дугообразных деталей -- лож (1 на рис. 64 ). Эти детали можно выполнить из алюминия, стали, в крайнем случае и из многослойной фанеры. Толщина дуг -- 10--20 мм. С помощью клея и винтов М4 они прикрепляются к пластине. Так как в дальнейшем они будут работать только на сжатие -- прижиматься к пластине, смысла в особо жестком их креплении нет. После закрепления дуг на пластине надо укрепить два, а можно и один хомут, который будет прижимать трубу к пластине (рис. 61). Эти хомуты делаются из прочных ремней с пряжками или из 1--2-миллиметрового металла. Если их два, то они устанавливаются на концах пластины, если один -- в середине. Металлические хомуты стягиваются винтами. При затягивании хомутов не нужно опасаться прилагать большие усилия. Большое усилие при затягивании создаст предварительное напряжение в стенках трубы, а это приведет к увеличению запаса прочности и жесткости. Это усилие (сжатие) действует по окружности стенки трубы, никак не изгибая ее, а только сжимая. Для этого нужно, чтобы хомуты и дуги, на которых лежит труба, охватывали весь периметр трубы не оставляя свободных промежутков более 1--2 см. В противном случае усилия в хомутах надо несколько уменьшить, чтобы в свободных, не охваченных хомутами участках трубы стенку не "выперло" и она не потеряла устойчивости. Впрочем, и при неполном прилежании трубы усилия могут быть достаточно большими. Это крепление гораздо надежнее и жестче, чем крепление трубы винтами непосредственно к пластине или ложам. Кроме того, оно позволяет легко отделять трубу от монтировки, а это важно при переносе телескопа. Оно также позволяет перемещать трубу вдоль ее оси для балансировки и поворачивать вокруг оси, чтобы придать окуляру желаемое направление (вбок, вверх и т. п.). 51. КРЕПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛОЙ ТРУБЫ К ОСИ СКЛОНЕНИЙ
В тех случаях, когда диаметр зеркала больше 150 мм или когда по каким-нибудь иным причинам труба тяжела, узлу крепления трубы надо придать более рациональную форму. Прежде всего, кольца -- хомуты, в которых лежит труба, придется сделать жесткими -- литыми или вырезанными из металлической трубы подходящего диаметра. На одной стороне хомута установим шарнир, как показано на рис. 62. На другой стороне хомутов -- приливы для крепления стягивающего винта. Жесткость узла достигается за счет рационального напряжения в стенках трубы (сжатие без изгиба).
Пластина оси склонений для жесткого крепления к оси должна иметь прилив, куда запрессована ось, и ребра жесткости, которые идут от прилива к углам пластины и имеют максимальное сечение около прилива и сходят на нет на концах. Толщина пластины и ребер около 6--8 мм, если труба имеет диаметр до 200 мм и длину около 1500 мм. Толщина хомутов 3-- 5 ми, а ширина 15--25 мм. Описанная конструкция пластины значительно жестче предыдущей, но ее вес остается почти неизменным.
Рис. 63. Более жесткая конструкция крепления трубы.
Ребристую пластину можно без потери жесткости заменить цилиндрической. В этом случае она вырезается автогеном или высверливается дрелью из толстостенной трубы. Прилив приваривается, на нем сверлится отверстие, в котором нарезается резьба для стопорного винта, а ось склонений вворачивается на резьбе в прилив. 52. ОСИ
На рис. 63, а показаны нагрузки, действующие на оси экваториальной монтировки, и изгибающие моменты. Исходя из того, что по мере увеличения изгибающего момента надо увеличивать и сечение оси, здесь
a)
Рис. 63. Нагрузки на экваториальную монтировку. а) Эпюры изгибающих моментов и б) рациональная форма осей.
же приведены и наиболее рациональные с точки зрения прогибов продольные сечения осей (рис. 63, б). Конечно, на практике можно несколько упростить сечения и даже просто взять их постоянными по всей длине, но в этом случае надо помнить, что без заметного увеличения жесткости мы значительно увеличиваем вес оси. Поскольку часто оси делаются постоянного поперечного сечения по всей длине, то увеличение веса оси очень заметно. Правда, и к рациональному сечению надо подходить творчески. Например, сечение оси склонений на конце противовеса может быть выбрано меньше, чем на остальных участках, так как прогибы конца противовеса не так важны, как прогибы на остальных участках. Однако чрезмерное уменьшение сечения оси на конце противовеса может привести к ощутимым вибрациям, которые будут передаваться всей монтировке.
В некоторых руководствах рекомендуется подшипники осей установить на прямоугольных пластинах. В этом случае одна из пластин, на которой крепится полярная ось, устанавливается наклонно к горизонту, а вторая крепится к фланцу на конце полярной оси. На первый взгляд такая конструкция много проще. Однако это кажущаяся простота. На деле эта конструкция более трудоемка, а самое главное, значительно менее жесткая. Замена труб в качестве корпусов осей на пластины приводит к увеличению веса узла в 4 раза при той же жесткости или к потере жесткости в 20-- 25 раз при том же весе. Можно пластину заменить швеллером, но и в этом случае мы проиграем в жесткости по сравнению с трубой.
Кроме того, в случае трубчатых корпусов значительно легче установить тормоза и микрометрические ключи тонких движений, а также часовой механизм с червячной парой.
Проще всего соединить корпус оси склонений и полярную ось, приварив конец полярной оси к корпусу оси склонений. Важно при этом проследить за строгий перпендикулярностью обеих осей. Можно выполнить это соединение с помощью литья (см. ниже).
Но лучше всего выполнить этот узел разборным (рис. 64). Для этого к боковой поверхности корпуса оси склонений 2 приварим круглую стальную пластину 3 диаметром примерно на 50% больше диаметра корпуса, а на полярной оси выточим или приварим с последующей проточкой фланец того же диаметра 4, что и круглая пластина. После этого полярная ось через фланец крепится к круглой пластине на корпусе оси склонений с помощью винтов.
Исходя из расчетов и многолетнего опыта любителей, можно рекомендовать диаметры для оси склонений и диаметр на северном подшипнике для полярной оси равным 30 и 40 мм соответственно при расстоянии между подшипниками около 200--250 мм, если речь идет о 150-миллиметрвом телескопе. По мере увели
чения диаметра зеркала масштаб изображения увеличивается пропорционально первой степени диаметра зеркала. В то же время нагрузки и, в частности, вес -- пропорциональны 3-й степени. Жесткость же осей пропорциональна 4-й степени их диаметра (конечно при одном и том же материале). Таким образом, при увеличении диаметра зеркала надо пропорционально увеличить и диаметр осей. Например, для зеркала диаметром 250 мм выберем диаметр осей 50 мм.
Рис. 64. Экваториальная монтировка с шарикоподшипниками.
1 -- пластина и ложе для крепления трубы 1 телескопа, 2--корпус оси склонений, 3--пластина для крепления к полярной оси, 4--фланец полярной оси, 5 -- шарикоподшипники.
Оси совершенной немецкой монтировки можно установить в шариковых подшипниках, а подшипники должны быть запрессованы в корпусах, имеющих форму труб. Для этого концы корпусов надо расточить с таким расчетом, чтобы внутренний диаметр корпуса был на 0,05 мм меньше наружного диаметра подшипника. После расточки корпус нагревается до 100--150º и подшипники закладываются в корпус. После остывания корпуса подшипник оказывается плотно сидящим на месте. Нужно проследить за тем, чтобы разница в диаметрах не превышала 0,05 мм, иначе подшипник может оказаться пережатым и будет плохо работать.
Лучше, однако, расточить корпус так, чтобы подшипник становился на место с трением, но без люфта. В этом случае весь узел окажется разборным, но для того, чтобы подшипники не выпадали, придется сделать колпачки, которые будут надеваться на корпуса и удерживать подшипники от выпадения. Эти колпачки будут одновременно защищать подшипники от пыли и грязи. 53. ЭЛЕМЕНТЫ ВИЛКИ
Изгибающий момент, а вместе с ним и сечение вилки возрастают по мере продвижения от концов консолей к их основанию и далее к середине траверсы -- к месту, где крепится полярная ось (рис. 65, а). В соответствии с этим рассмотрим различные варианты конструкции вилки. Конечно, как и прежде, кое-где мы можем отступить от принципа наибольшей выгоды и, возможно, какие-то элементы будут работать с некоторой недогрузкой. Однако везде, где это возможно, надо стараться придерживаться оптимальной формы вилки и осей.
На рис. 65 показаны несколько вариантов вилки. На рис. 65, б показана вилка, сваренная из толстостенных труб. Их диаметр для 150-миллиметрового телескопа с 1200-миллиметровой трубой составит 50--60 мм при толщине стенок около 3 мм. Правда, надо иметь в виду, что это справедливо при условии, что центр тяжести трубы смещен вниз и расположен на расстоянии 1/3 длины трубы телескопа от нижнего конца. В этом случае длина консолей составит примерно 450-- 500 мм. Если длина консолей больше, желательно увеличить диаметр траверсы, как показано на рис. 65, в. Для 250-миллиметрового телескопа диаметр консолей составит около 60--70 мм при длине примерно 500-- 600 мм, а диаметр траверсы--80--100 мм.
На рис. 65,г показана вилка, сваренная из швеллера. Для 150-миллиметрового телескопа с трубой 1200 мм подходящим будет швеллер No 6--7. Сварку можно заменить "косынками", с помощью которых скрепляются траверса и консоли. Косынки приклепываются или приворачиваются винтами.
На рис. 65, д изображена вилка с тавровым сечением консолей и траверсы. Сечение удобно тем, что оно легко может быть отлито из силумина или алюминия. В разделе, посвященном литью в любительских условиях, подробно рассказано об изготовлении модели формы и отливки вилки этого сечения.
Рис. 65. Виды вилок
а) Оптимальная, б, в) из труб, г) из швеллеров, д) литая, е) сварная из тонких труб.
Вилку можно сварить из 25--30-миллиметровых труб, как показано на рис. 65, е.
В последние годы среди любителей телескопостроения получили широкое распространение визуальные телескопы Ньютона простейших конструкций, предназначенные для визуальных наблюдений комет, туманностей, звездных скоплений и галактик. Нередко эти телескопы достигают огромных по любительским масштабам размеров -- вплоть до 600 мм. В сущности это огромные подзорные трубы. Делаются они на установке Добсона, показанной на рис. 49, б.
Для жесткости консоли "схвачены" с одной стороны стенкой. Полуоси -- металлические диски, привернутые к стенкам квадратной трубы. Вырезы на концах консолей оклеены фетром. По высоте телескоп вращается на трении. Вертикальная "ось" -- две пластины из 10--20-миллиметровой фанеры с прокладкой листа жести для лучшего скольжения. Подобно поворотному столику для шлифовки обе пластины в центре "схвачены" болтом. Если большие телескопы с успехом работают на таких монтировках, то тем более следует рекомендовать подобную вилку для небольших телескопов начинающих любителей.
Полуоси оси склонений в вилочной монтировке лучше устанавливать на консолях, а подшипники этих осей на трубе. Большое значение при установке полуосей имеет то, что они должны лежать строго на одной прямой, являясь продолжением одна другой. Это условие также легче выполнить при установке полуосей на консолях, а не на трубе, как это до сих пор чаще всего делалось. В этом случае на консолях крепится сплошной круглый стержень или труба. После того как концы этой трубы надежно установлены на свое место и закреплены, выпилим ножовкой среднюю часть этой трубы, оставив только полуоси. После этого можно отвернусь полуоси от консолей и дополнительно обработать, например проточить на токарном станке торцы, отрезанные ножовкой, а потом их легко установить на место без опасения, что они окажутся не на одной прямой.
Для правильной установки подшипников на трубе выточим или подберем круглый стержень, который будет служить оправкой, а на него "посадим" подшипники. Установим подшипники на трубу и надежно за
крепив их, уберем оправку (рис. 66). Лучше всего крепить скользящие или шариковые подшипники 2 к трубе с помощью трехгранной пластины, наподобие того, как мы крепили окулярный узел (см. 47). Для 150-миллиметрового телескопа достаточно пластины толщиной 4--5 мм. Еще раз подчеркнем, что жесткости такой пластины, если она закреплена по периметру, вполне достаточно. Подшипники крепятся к пластине с
а)
Рис. 66. Полуоси оси склонений.
а) Водило с винтом и возвратной пружиной связаны с трубой телескопа, б) Барабан поворачивается вместе с трубой телескопа, водило с винтом и возвратной пружиной связаны с консолью вилки. 1 -- неподвижные цапфы, 2--подшипники (а--скользящий, б--шариковый, 3 -- хомуты тормозов, 4 -- консоль вилки, 5 -- барабан тормозов (а -- барабан неподвижен). См. также рис. 67.
помощью чашеобразной обоймы, а пластина -- к трубе. До окончательной установки подшипники не снимаем с оправки.
Полярная ось в идеале должна иметь коническую форму с большим диаметром в районе траверсы, так как именно здесь действует максимальный изгибающий момент. Это вынуждает делать северный подшипник больших размеров. В некоторых случаях любители вместо шарикового подшипника берут точеное колесо, которое катится по двум роликам, установленным на расстоянии около 120º по дуге колеса. Очевидно, что оси этих роликов должны иметь минимальный прогиб. Для этого они должны быть достаточного диаметра и иметь минимальную длину. Вместо роликов можно взять два небольших шариковых подшипника. В этом случае диаметр оси будет равен внутреннему диаметру подшипника. Оси роликов имеют на концах фланцы, с помощью которых крепятся к станине монтировки. Жесткость осей роликов можно увеличить, если их опереть на два конца (см. рис. 87). 54. ОСИ ДРУГИХ МОНТИРОВОК
В тех случаях, когда у любителя есть возможность устанавливать телескоп стационарно если не постоянно, то хотя бы на длительное время, можно применить английскую монтировку, ярмо с подковой или без нее.
Проще всего в качестве полярной оси английской монтировки применить корпус оси автомобиля (см. рис. 51, б). Тогда на оси можно установить телескоп диаметром до 350--400 мм. Расширение корпуса оси для установки дифференциала используется в этим случае для установки подшипников оси склонений.
Можно изготовить ось и квадратного сечения с маленькими полуосями на концах для установки в подшипники. В этом случае ось может быть сделана из 15--20-миллиметровых досок. Подшипник оси склонений, расположенный рядом с трубой телескопа, крепится в середине на полярной оси, а дальний подшипник--на вершине пирамиды из четырех стержней. За пределами этой пирамиды на оси устанавливается противовес. В качестве полярной оси можно использовать толстостенную трубу (рис, 51,а).
Ось можно заменить ярмом, которое представляет собой раму из коробчатых стержней. Эти стержни могут быть из дерева, металлического проката, лучше всего из швеллера, труб диаметром 50--80 мм в зависимости от веса телескопа и длины ярма. Для 150-мил-лиметрового телескопа при длине ярма более 700-- 800 мм диаметр труб должен быть около 50 мм. Для 250-миллиметрового телескопа с ярмом длиной 1200 мм диаметр труб около 70--80 мм.
Для того чтобы сделать доступной полярную область, можно северный верхний подшипник полярной оси заменить на подкову. Среди металлолома можно
найти диски диаметром до 400--500 мм. Для 150-миллиметрового телескопа достаточно будет диска диаметром около 300 мм и толщиной 10--20 мм. В этом диске вырезаем автогеном или высверливаем с дальнейшей обработкой напильником отверстие овальной формы так, чтобы телескоп мог входить в это отверстие. Эта "подкова" устанавливается с помощью фланцев или приваривается к балкам ярма. Катится она по двум роликам, установленным под углом 120º.
Можно выгнуть балки ярма так, чтобы полуоси склонений оказались выше математической полярной оси. В этом случае можно обойтись без подковы, однако потребуется противовес, который обычно устанавливается на верхнем (северном) конце ярма. Можно для большей жесткости вместо балок применить фермы и противовес установить относительно полярной оси с противоположной стороны от телескопа. То, что оправа зеркала оказывается между стержнями фермы, не страшно, так как окуляр телескопа Ньютона расположен на верхнем конце трубы (рис. 51, г). 55. ТОРМОЗА И МЕХАНИЗМЫ ТОНКИХ ДВИЖЕНИЙ
После наведения на объект телескоп должен быть закреплен в этом положении. Учитывая малое поле зрения при больших увеличениях, желательно снабдить телескоп механизмами тонких движений на обеих осях для плавного наведения на объект. Большинство простейших телескопов системы Ньютона, предназначенных для визуальных наблюдений, снабжаются только тормозами.
В простейшем случае тормозом может служить винт, упирающийся прямо в ось. Например, в азимутальной монтировке из тройника и водопроводных кранов, построенной в клубе им. Максутова, во втулках, несущих оси, сделаны отверстия, в которых нарезана резьба. В эти отверстия вворачиваются стопорные винты с маховиками. Конечно, это самое простое приспособление из всего, что можно придумать (см. рис. 60), и назвать его совершенным нельзя, прежде всего, потому, что от постоянного стопорения конец винта делает небольшие углубления в оси, если ее металл не слишком тверд, и постепенно ось перестает быть достаточно гладкой. Далее, часто требуется зажать ось не "намертво", а только слегка притормозить, чтобы телескоп можно было доворачивать с некоторым усилием. Кстати, чаще всего так и поступают, если телескоп не снабжен механизмами тонких движений. При этом телескоп движется не очень плавно. Гораздо лучше тормозить специальным хомутиком. Для этого на конце корпуса оси делается надрез, как
а)
Рис. 67. Простые тормоза.
показано на рис. 67, а, и к краям надреза приваривается или привинчивается пара ушек 1. В одном из ушек делается гладкое отверстие, а во втором -- отверстие с резьбой. Теперь, если в это отверстие ввернуть винт 2, то он может очень равномерно с помощью облегающего ось хомутика зажать или только подтормозить ее. Если же ось надо очень сильно зажать, то описанное приспособление сделает это гораздо лучше простого винта. На рис. 67, б показан еще один вариант тормозов.
Следующее усовершенствование позволит ввести в узел механизм тонких движений. Для этого надо изготовить отдельный хомутик с достаточно длинным рычагом. На рис. 68, а показан механизм тонких движений телескопа "Алькор", выпускаемого Новосибирским приборостроительным заводом им. В.И. Ленина. Здесь хомутик 1 облегает трубчатый корпус оси. Сто
порный винт 2 может затормозить хомутик. Теперь, вращая винт тонких движений 3, мы притягиваем к рычагу 1 гайку-поводок 5, укрепленную на трубе телескопа. Труба плавно и медленно движется к рычагу. Если необходимо обратное движение, то, выворачивая
Рис. 68. Конструкция механизма тонких движений.
1 -- рычаг-водило с хомутиком, охватывающим корпус оси, 2 -- винт хомутика тормоза, 3 -- винт тонких движений, 4 -- возвратная пружина, 5 -- поводок, связанный с трубой телескопа.
винт, мы даем возможность пружине 4 толкать гайку, а вместе с ней и трубу в обратную сторону.
Здесь важно сделать несколько замечаний. Во-первых, при затягивании стопорного винта он смещает рычаг и трубу телескопа. Поэтому после грубого наведения, когда мы пытаемся зажать ось, труба слегка наклоняется и объект уходит из центра поля зрения. Чтобы эти деформации рычага сделать меньше, нужно сильно увеличить сечение рычага в его начале, чтобы деформировалось только ушко хомутика. Именно так и поступили при доработке опытной партии телескопов "Алькор". Другой путь заключается в том, чтобы перенести разрез и стопорный винт на другую от рычага сторону хомутика, как показано на рис. 68, б. В этом случае при затягивании рычага вообще не происходит смещения объекта в поле зрения.
Во-вторых, для того чтобы при зажиме хомутика не прилагать слишком больших усилий, надо сделать надпил на кольце хомутика на расстоянии примерно 120º от короткого ушка хомутика или два надпила на расстоянии 120º от ушек хомутика в конструкции, когда рычаг находится на противоположной стороне. Кроме того, важно, чтобы зазор между проточенной частью корпуса и внутренней поверхностью хомутика был минимальным.
В-третьих, для телескопов порядка 200--250 мм надо, чтобы хомутик тормоза облегал уже не корпус оси, а специальный барабан, жестко насаженный на корпус (рис. 66, а, деталь 5). Этот барабан должен иметь больший, чем у корпуса, диаметр. В этом случае телескоп можно будет хорошо тормозить, не прилагая больших усилий.
Механизм тонких движений (рис. 68, а) превосходно работает с визуальными телескопами, когда небольшие неточности в движении совершенно не страшны. Иное дело фотографические работы с длительными экспозициями и большими фокусными расстояниями. До тех пор, пока фокусные расстояния не превышают 200--250 мм, можно пользоваться и только что описанным механизмом, но когда фокусное расстояние фотографического телескопа достигает 500--1000 мм, этот механизм становится слишком грубым. При попытках повернуть винт тонких движений крутящий момент из-за трения разлагается на две реактивные силы, одна из которых действует на трубу в направлении, перпендикулярном тому движению, которое мы хотим вызвать. В результате ведущая звезда (см. ниже) прежде, чем вернуться на перекрестие, сначала делает движение в перпендикулярном направлении, а это приводит к размазыванию изображений звезд на фотопленке.
Поэтому механизм тонких движений следует усовершенствовать следующим образом. Как показано на рис. 68, б, на конце рычага теперь вворачивается микрометренный винт 3, а на противоположной стенке укреплен патрон с возвратной пружиной 4. В этом механизме поводок 5, жестко скрепленный с трубой телескопа, оказывается зажатым между винтом и патроном с возвратной пружиной. На поводок действует только перпендикулярная к его рабочей поверхности сила, и труба телескопа движется строго в одной плоскости. Звезда перемещается вдоль прямой линии.
Недостаток винта с возвратной пружиной в том, что скорость рычага неравномерна. Она максимальна в среднем положении и минимальна в крайних. Это мало сказывается, если работа ведется вручную, но становится совершенно недопустимым, если винт вращается мотором и ведет полярную ось за суточным вращением небесной сферы. Очевидно, что скорость движения телескопа будет непостоянной и механизм потеряет смысл. Поэтому рычаг с винтом практически никогда не употреблялся в качестве часового механизма для слежения за небом. Однако в 1978 г. Андре Гамон (Франция) предложил [18] установить на винте кулачок специальной формы, который позволяет компенсировать неравномерность хода рычага (рис. 69, а). Рычаг 1 хомутика, охватывающего полярную ось 2, упирается своим концом в кулачок 3, жестко связанный с гайкой, которая движется вдоль винта 4. Этот кулачок, равно как и конец рычага, имеет форму специальной кривой, которую можно построить графически.
Допустим, что шаг винта составляет 1 мм и винт делает один оборот в минуту. Солнечные сутки содержат 1440 минут, звездные 1436 минут; значит, для того чтобы угловая скорость рычага составляла 1 об/сут, нужно окружность длиной 1440 мм или 1436 мм разделить на 2p = 6,28. В этом случае длина рычага составит 229,2 мм для солнечных и 228,6 мм для звездных суток. На практике можно взять длину 229 мм и во время работы время от времени вводить небольшие поправки в суточный ход телескопа.
Теперь на листе хорошей бумаги вычертим схему механизма (рис. 69, б) в масштабе 1:1. Для того проведем прямую х0R, которая обозначает ось винта, и дугу окружности с центром в точке О, расположенной на расстоянии 229 мм от прямой х0R. Опустим перпендикуляр из точки О на прямую х0R. Точку пересечения перпендикуляра и прямой обозначим х1. На дуге окружности отложим от точки х1 в обе стороны дуги по 60º. Концы дуг обозначим J и Н. Деля дуги на четвертые и восьмые части, получим точки а, b, с, d и 1, 2, 3, 4. Каждая дуга составит 7º,5, или 1/48 полной окружности. Так как длина окружности 1440 мм, то каждый отрезок будет иметь длину 30 мм. На прямой х0R отметим точки х0, А, В, С, х1 через 30 мм.
Рис. 69. Механизм тонких движений и часового привода полярной оси А. Гамона.
1 -- водило, 2 -- полярная ось, 3 -- гайка с кулачком специальной формы, 4 -- винт часового привода, 5 -- подшипник винта, 6 -- упорный конус винта тонких движений, 7 -- винт тонких движений, 8 -- возвратная пружина, 9 -- шестерня на выходном валу редуктора синхронного электродвигателя, 10 -- шестерня винта часового привода.
На куске плексигласа толщиной 0,5--1 мм размером около 100 Х 200 мм проведем острой иглой прямую линию и на ней отметим точку, которую назовем F (рис. 69, в). Перевернем лист плексигласа и наложим плексиглас на схему "б", чтобы линия на плексигласе точно совпала с линией х0R на чертеже, а точка F с точкой х0. Тщательно отметим точку х1. Осторожно переместим плексиглас вправо, чтобы точка F совпала с точкой А, следя за тем чтобы линия на плексигласе в точности совпадала с линией х0R. Отметим на плексигласе точку а крестиком. Переместим точку F в точку В и отметим на плексигласе точку b. Последовательно перемещая плексиглас до совмещения точки F с точками С и х1, получим точки с и d. На плексигласе получилась цепочка точек, идущая вниз от прямой линии. Если теперь тщательно соединить эти точки плавной кривой, мы получим форму рабочей поверхности кулачка при работе винта на участке х0х1. Вырежем получившуюся фигуру и тщательно обработаем ее по намеченной линии надфилем. Прикрепим двумя винтами плексиглас к куску латуни, стали или твердого алюминия и обработаем край металла, используя плексиглас в качестве шаблона.
Для равномерной работы механизма надо подобным образом обработать и конец рычага. Врежем второй лист тонкого плексигласа, размером 100 Х 400 мм (рис. 69, г). Прочертим вдоль тонкую линию и вблизи ее конца просверлим крошечное отверстие о. С помощью иглы совместим эту дырочку с точкой О на чертеже, следя за тем, чтобы не было люфта и плексиглас не болтался на оси. Далее совместим линию на плексигласе с линией Ох1 и отметим точку х1; повернем плексиглас, пока линия на нем не совпадет с точкой 1, и отметим в этом положении точку С. Затем последовательно переводим линию на плексигласе в точки 2, 3, 4 и отмечаем соответствующие точки. Соединяем эти точки плавной кривой, которая представляет собой рабочую кривую рычага. При движении гайки слева направо сначала работает кривая на рычаге, а кулачок работает одной точкой (х1), а после перехода точки x1 работает кривая кулачка, а рычаг прикасается к ней одной точкой, поэтому форма кулачка и рычага вне вычерченных нами кривых не имеет большого значения. При переводе кривой рычага с шаблона в металл не забудем, что точка О -- центр полярной оси телескопа.
Надо сказать, что сложность этих построений на самом деле кажущаяся. На практике все это получается довольно легко.
Дуга от точки 4 до точки d составляет 60º. Это значит, что, установив механизм на начало, можно вести наблюдение непрерывно на протяжении 4 часов.
Рассмотрим некоторые другие элементы механизма Гамона. Как бы точно ни была выполнена работа по перенесению рабочих кривых, как бы точно ни работал электродвигатель механизма, все равно придется время от времени в работу механизма вносить поправки. Это происходит из-за незначительных прогибов инструмента, из-за так называемой атмосферной рефракции, в результате которой луч света, проходя сквозь атмосферу, несколько искривляются, и тем больше, чем ниже над горизонтом светило. Это приводит к тому что звезда видна несколько выше, чем на самом деле. В результате по мере движения звезды от горизонта к меридиану, где рефракция минимальна, скорость этого движения меняется в небольших пределах; наконец, на неравномерности хода сказывается и нестабильная частота в сети переменного тока. Исходя из этого, надо предусмотреть возможность вносить поправки в работу механизма от руки по желанию наблюдателя. В механизме Гамона это достигается следующим образом. Главный винт 4 (рис. 69, а) установлен во втулке 5 справа так, что он может свободно перемещаться вдоль оси. Второй его подшипник представляет собой так называемую опору на шпиле. В коническую ямку на конце винта упирается конический конец второго винта 7, которым управляют от руки. При вворачивании этого второго винта он толкает главный винт вправо, при выворачивании возвратная пружина 2 через рычаг возвращает винт с гайкой влево. Для того чтобы при этом не перемещать электродвигатель, на его валу установлена очень широкая шестерня 9, сцепленная с шестерней 10 на главном винте.
После того как полностью будет выбран ход главного винта, нужно отвести электродвигатель с редуктором в сторону и, быстро вращая винт за специальную ручку на его шестерне в обратную сторону,
вернуть гайку в исходное положение. Можно также предусмотреть вместо этого размыкающуюся гайку, которая состоит из двух половинок одной гайки, разрезанной вдоль оси симметрий. Эта гайка в нужный момент с помощью несложного приспособления может быть разомкнута, а после установки в исходное положение снова сомкнута.
Если принять во внимание, что обычно для устройства часового механизма требуется изготовление червячной пары, состоящей из червячного винта, который ведет точно изготовленную червячную шестерню, то станет ясно, что механизм Гамона в любительских условиях представляет собой довольно изящный выход из положения. 56. ЧАСОВОЙ ПРИВОД С ЧЕРВЯЧНОЙ ПАРОЙ
В качестве основного элемента часового привода обычно применяется червячная пара (рис. 70), которая представляет собой винт 1, зацепленный с шестерней 2, имеющей зубья специальной формы. Ориентировочно диаметр червячной шестерни должен быть равен 1--1,5 диаметра главного зеркала.
В качестве привода лучше всего использовать синхронные реактивные двигатели типа СД-2, СД-10 и т. п., которые обычно применяются в различных самописцах и программных устройствах. Эти моторы питаются от сети переменного тока напряжением 220 В, потребляют мощность 7--15 Вт и имеют скорость вращения на выходном валу встроенного редуктора 2 об/мин. В дальнейшем мы будем иметь в виду подобный двигатель.
Если число зубьев шестерни 2 составляет 360, а винт вращается со скоростью 1 оборот в 4 минуты, то шестерня сделает полный оборот за 1440 минут (86400 с), или за одни солнечные сутки. Это хорошо для солнечного телескопа, однако телескоп, предназначенный для наблюдения звезд, должен делать полный оборот за звездные сутки, которые примерно на 4 минуты короче солнечных и равны 86164,09 с. Поэтому на шестерне надо нарезать 359 зубьев, чтобы телескоп, не отставая, следил за звездой.
Эта небольшая разница мало дает о себе знать при визуальных наблюдениях, когда даже при большом увеличении приходится поправлять положение телескопа раз в одну-две минуты, но становится слишком неприятной при фотографических наблюдениях с длительными экспозициями на астрографе с фокусным расстоянием 1 м и более. В этом случае поправки приходится делать каждые 3--4 с, что превращает работу в практически ручное гидирование.
Рис. 70. Часовой привод 150-миллиметрового телескопа автора с механизмом тонких движений.
1 -- червячный винт, 2-- червячная шестерня, 3 -- полярная ось, 4 -- шестерня червячного винта, 5 -- шестерня выходного вала редуктора синхронного электродвигателя, 6 -- электродвигатель с вмонтированным редуктором, 7 -- хомут, притормаживающий корпус двигателя, 8--ручка механизма тонких движений.
Здесь мы приводим таблицу из статьи Эдварда Фейджина [17], где рассчитаны различные комбинации шестерен и приведены ошибки соответствующих механизмов. Эта таблица несколько изменена в предположении, что двигатель делает не 1 об/мин, как у Фейджина, а 2 об/мин, как это имеет место в нашем случае (табл. 12). В первой колонке приведено передаточное число между червячной шестеренкой и винтом. Если винт однозаходный, то это число равно числу зубьев на шестерне. Во второй и третьей колонках приведены относительные числа зубьев шестерни на валу винта и валу двигателя соответственно. Например, при числе зубьев однозаходной шестерни 169 передаточное отношение между винтом и валом двигателя составит 17/1. Значит, на винте придется поста
вить, скажем, шестерню со 170 зубьями, а на валу двигателя--с 10; умножив эти числа, например, на 1,4 мы получим для шестерни винта 238, а для шестерни вала -- 14 зубьев.
В тех случаях, когда число зубьев на одной из цилиндрических шестерен велико, можно добавить еще одну пару шестерен с передаточным отношением
Т а б л и ц а 12
|
Число зубьев червячной шестерни |
Относительное число зубьев |
Ошибка за звездные сутки, с |
|
|
на валу червячного винта |
на валу двигателя |
||
|
147 |
254 |
13 |
0,53 |
|
169 |
17 |
1 |
25,91 |
|
200 |
158 |
11 |
17,73 |
|
207 |
111 |
8 |
-0,34 |
|
221 |
13 |
1 |
25,91 |
|
252 |
57 |
5 |
19,91 |
|
254 |
147 |
13 |
0,53 |
|
255 |
214 |
19 |
-0,93 |
|
266 |
54 |
5 |
19,91 |
|
271 |
53 |
5 |
13,91 |
|
321 |
170 |
19 |
-0,93 |
|
333 |
69 |
8 |
-0,34 |
|
338 |
17 |
2 |
25,91 |
|
359 |
8 |
1 |
-4,09 |
|
378 |
38 |
5 |
19,91 |
|
381 |
98 |
13 |
0,53 |
|
399 |
36 |
5 |
19,91 |
|
414 |
111 |
16 |
--0,34 |
|
438 |
400 |
61 |
-0,16 |
|
476 |
356 |
59 |
--0,02 |
|
508 |
147 |
26 |
0,53 |
|
510 |
107 |
19 |
-0,93 |
|
527 |
109 |
20 |
0,41 |
2/1, 4/1 или каким-нибудь другим, удобным для любителя.
Чтобы проверить правильность расчета, нужно умножить передаточное число червячной пары на отношение между числами зубьев шестерни винта 4 и шестерни вала 5 и умножить на время одного оборота двигателя (0,5 мин). Например, для однозаходной шестерни с числом зубьев 476 отношение числа зубьев шестерен винта и вала составит 356/59. Так как один оборот вал электродвигателя делает за 0,5 минуты, то произведение будет равно 476 Х 356/59 Х 0,5 = 1436,0677 мин = 86 164,07 с,
т. е., механизм спешит на 0,02 с.
Число зубьев 356 на шестерне вала винта велико, поэтому можно добавить еще одну пару шестерен. Эта пара может иметь отношение 2/1, тогда число зубьев на шестерне винта уменьшится до 178. Можно дополнительную пару взять с передаточным числом 4/1, тогда число зубьев на шестерне винта сократится до 89. Мы дали столь подробное описание редуктора между валом электродвигателя и полярной осью потому, что любитель чаще всего вынужден подбирать шестерни из старых механизмов, и потому из большого числа примеров ему легче найти подходящий для него вариант. 57. КОНСТРУКЦИИ ЧЕРВЯЧНЫХ ПАР
Червячная пара--одно из самых уязвимых мест с точки зрения жесткости монтировки в целом. Диаметр червячного колеса обычно небольшой -- он равен чаще всего диаметру зеркала телескопа или на 10--25% превышает его. Впрочем, в профессиональных монтировках для любителей диаметр шестерен может быть меньше диаметра зеркала в 1,5--2 раза. Мы, однако, постараемся придерживаться первого варианта, особенно если телескоп предназначен для фотографирования в главном фокусе.
Малый радиус определяет плечо рычага, который сопротивляется крутящему моменту на полярной оси. Даже если телескоп очень хорошо уравновешен относительно полярной оси, случайные нагрузки от ветра, прикосновения и т. п. создают значительные усилия в месте зацепления червяка с шестерней и в подшипниках червяка. Например, если длина трубы 150-миллиметрового телескопа составляет 1200 мм, а сама она прикреплена к оси склонений в середине, то, приложив усилие на конце трубы в 1 кг, мы получим на винте усилие в 8 кг, если диаметр шестерни 150 мм. Поэтому узел червячного винта должен быть сконструирован и изготовлен с большой тщательностью.
Один из возможных вариантов червячного механизма следующий. Винт установлен в неподвижных
подшипниках, которые удерживаются неподвижными опорами. Эти опоры должны обеспечивать высокую жесткость в направлении оси винта. Поэтому лучше всего их заключить в кожух из 4-миллиметровой стали. Этот кожух будет защищать винт от пыли и грязи и не даст возможности опорам-подшипникам наклоняться в направлении оси винта, т. е. в самом опасном направлении. Разумеется, кожух должен иметь вырез для подведения шестерни к червяку.
Так как винт установлен на строго определенном расстоянии от шестерни и так как сама шестерня может немного "бить" на полярной оси в силу того, что слегка эксцентрично выточена или насажена на ось, винт и шестерню нужно пришлифовать друг к другу. Для этого установим какой-нибудь двигатель, который придаст вращение винту со скоростью 5--10 об/с и подмажем карборунда или другого абразива (например, М40) с, керосином. Во время пришлифовки также снимутся мелкие неровности на винте и шестерне, оставшиеся после нарезания зубцов и винта. Конечно, таким образом можно устранить только очень небольшое "биение". Шестерня с грубым "биением" для этой конструкции непригодна. После пришлифования в течение 10--20 минут тщательно промоем с мылом и винты шестерню, протрем, высушим и смажем их маслом.
Описанная шестерня может вращаться только от винта и потому ее обычная скорость слишком мала для грубого наведения. Можно поступить так, как это в последнее время стали делать для небольших и умеренных профессиональных телескопов (рис. 71, а): последняя пара шестерен между винтом и валом двигателя размыкается, двигатель отводится, а с противоположной стороны шестерни 3 винта подводится другой электродвигатель 2 с шестерней на валу, но с большим числом оборотов. Нужно, чтобы после этого винт червячной пары 3 получил вращение со скоростью примерно 5 об/с. Тогда телескоп будет поворачиваться вокруг полярной оси со скоростью примерно 5--10º/с в зависимости от числа зубьев червячной шестерни. Поворот на 180º будет совершен за 20--40 с. После грубого наведения мотор 2 грубого наведения отводится от шестерни 3 и одновременно замыкается редуктор часового двигателя. Очевидно, что мотор грубого наведения может быть асинхронным, но обязательно реверсивным (меняющим направление вращения по желанию наблюдателя). Еще проще двигатели установить неподвижно, а перебрасывать "паразитную" шестерню. В старых монтировках фирмы Карл Цейс существует механизм замыкания червячной шестерни и поляр-
Рис. 71. Конструкции механизмов часового привода.
а) Экваториальная монтировка "со скручиваемой полярной осью". 1-- синхронный электродвигатель часового привода, 2 -- электродвигатель грубого наведения, 3-- шестерня червячного винта, 4 -- червячная шестерня, 5 -- неподвижная часть полярной оси, 6 -- шарикоподшипник, 7 -- подвижная полярная ось, 8 -- ось склонений, 9 -- корпус основания станины. б) Экваториальная монтировка, 1 -- хомутик тормоза, 2 -- полярная ось, 3 -- червячная шестерня, 4 -- винт тормоза, 5--червячный винт. в) Червячная пара с замыкаемым винтом. 1-- червячный винт, 2--подшипники винта, 3--корпус винта, 4--ось, на которой отводится винт, 5 -- червячная шестерня, 6 -- пружина
оси (рис. 71,б). В свободном положении шестерня 3, замкнутая на винт 5, остается неподвижной иди движется с суточной скоростью а полярная ось 2 свободно, но без люфтов в ней поворачивается. Чтобы замкнуть ось и шестерню, на специальные приливы на шестерне и на оси, проточенные до совершенно одинаковых диаметров надевается хомутик 1, который в незамкнутом положении вращается на этих приливах. Если же с помощью зажимного винта 4 хомутик затянуть, то он одинаково зажмет и шестерню и полярную ось, после чего они вращаются вместе.
Открепив зажимной винт, мы сможем свободно поворачивать телескоп вокруг полярной оси, пока шестерня движется, приводимая во вращение часовым механизмом двигателя. Наводя телескоп на объект, мы снова затягиваем винтом хомутик, и теперь полярная ось движется вместе с шестерней.
В последние годы фирма Карл Цейс выпускает любительские телескопы, снабженные червячными парами с замыкаемым винтом. Приведем в качестве примера одну из новосибирских конструкций подобного механизма (рис. 71, в). Здесь винт 1 с подшипниками 2 вставлен в корпус 3, который на специальной оси 4 может, несколько поворачиваться так, что винт выходит из зацепления с шестерней 5. Специальная пружина 6 поджимает корпус, и винт постоянно находится в зацеплении, даже если шестерня имеет достаточно большое "биение". Для грубого наведения надо оттянуть винт и, когда шестерня освободится, навести телескоп. После этого винт подводится к шестерне.
При этом не всегда нарезка винта попадает точно в углубление между зубьями шестерни. Это приводит к тому, что иногда во время замыкания винта телескоп может сместиться в ту или иную сторону на 0,5--1º в зависимости от числа зубьев на червячной шестерне. Так как большинство любительских телескопов имеют искатели, то это не страшно. Смещение объекта в поле зрения искателя на 1º легко поправить и привести объект на перекрестие, немного повернув червячный винт. Особое внимание надо уделить редуктору между двигателем и червячным винтом. Здесь ошибка в нарезке зубьев шестерен или не концентричная посадка шестерен на оси приведет к периодической ошибке, и ход двигателя придется ежеминутно корректировать. 58. МЕХАНИЗМЫ ТОНКИХ ДВИЖЕНИЙ В ЧАСОВЫХ ПРИВОДАХ
Поскольку часовой механизм приводится во вращение синхронным электродвигателем со строго постоянной скоростью, важно ввести приспособление, которое позволило бы вносить небольшие изменения, поправки.
Проще всего было бы установить на оси червяка механизм так называемого конического дифференциала: системы шестерен, позволяющие при неподвижном корпусе редуктора передавать вращение без изменения скорости, а при вращении корпуса увеличивать или уменьшать скорость на выходе механизма. Мы не можем позволить себе подробное описание этого механизма и его изготовление, так как его проще подобрать и на месте решить, как его применить в конкретном случае. Одна из разновидностей дифференциала -- плоский дифференциал, или планетарная система. Эта система служит редуктором с огромным передаточным числом; вращением корпуса или одного из сателлитов (мелких шестерен, обегающих две большие шестерни) можно увеличивать или уменьшать скорость вращения на выходе планетарной системы. Планетарные системы с небольшим передаточным числом применяются в электродрелях.
Можно выполнить червячную пару по схеме червячного дифференциала (рис. 72). В этом случае винт 1 может перемещаться в небольших пределах вдоль собственной оси. Тогда, не останавливая часового привода, можно несколько "подать" червяк в ту или другую сторону, а вместе с этим и слегка повернуть шестерню. Аналогичное устройство применено в механизме А. Гамона (см. 55).
Удобное решение было найдено автором книги для одного из своих телескопов (см. рис. 70). Здесь винт 1 неподвижно закреплен на оси. Дополнительное вращение получается за счет поворота корпуса электродвигателя 6 вместе со встроенным редуктором. Поворачивая двигатель с помощью ручки 8 на некоторый угол, мы увеличиваем или уменьшаем скорость вращения червячного винта. Здесь корпус двигателя установлен в хомуте 7, который притормаживает корпус, чтобы включенный двигатель не начал вращаться в обратную сторону. Прижим регулируется так, чтобы двигатель во время работы оставался неподвижным, но его было бы нетрудно повернуть рукой.
Наконец, возможно немеханическое решение задачи. Если синхронный двигатель питается не от сети,
Рис. 72. Червячный дифференциал.
1- червячный винт, 2 -- электродвигатель, 3 -- винт тонких движений, 4--возвратная пружина.
а от генератора частоты, то, меняя генерируемую частоту, можно изменить и скорость вращения двигателя. Для простоты можно построить генератор всего с двумя частотами: 50 и 100 Гц. На первой частоте двигатель работает в обычном режиме, а на второй частоте, когда надо увеличить скорость. Если же скорость надо уменьшить, двигатель ненадолго выключается кнопкой, расположенной на небольшом переносном пульте, который наблюдатель во время наблюдения держит в руках. С этого же пульта подается команда и для увеличения скорости. Это решение интересно тем, что значительно упрощается механическая часть, так как отпадает нужда в различных ручках и тягах. Кроме того, работать с таким пультом значительно удобнее, чем с традиционными механическими конструкциями. 59. КООРДИНАТНЫЕ КРУГИ
Если телескоп установлен стационарно, имеет смысл снабдить его координатными кругами на обеих осях. С помощью кругов значительно проще находить объекты особенно когда они слабы и не могут быть видны в искатель. Круг 1 (рис. 73) устанавливается жестко на оси 2, а на корпусе 3 оси устанавливается указатель 4. Можно сделать, наоборот: на оси установить указатель, а на
Рис. 73. Крепление координатного круга к оси.
1 -- координатный круг, 2 -- ось, 3 -- корпус оси, 4- указатель.
корпусе--круг. В каждом конкретном случае можно эту задачу решить по-разному, помня главным образом о том, чтобы ночью при слабом освещении отсчет на круге можно было видеть с максимальным удобством.
Круг склонений должен быть разделен от 0 до 90º и от 0 до --90º. Когда телескоп направлен на полюс мира, указатель должен показывать 90º.Надо не забывать при этом, что указатель или сам круг должны в небольших пределах перемещаться и закрепляться, чтобы его можно было установить совершенно точно. Также нужно помнить, что во время юстировки главного зеркала оптическая ось телескопа несколько смещается в пространстве предметов; после юстировки указатель надо слегка переместить. Впрочем, эти перемещения составляют не более нескольких долей градуса.
Круг часовых углов должен быть установлен непосредственно на полярной оси, чтобы он участвовал в движении как во время грубой так и во время тонкой наводки телескопа.
Круг часовых углов делится на 24 часа, и мелкие его деления обычно соответствуют 5 минутам времени. "Нуль" устанавливается так, чтобы указатель останавливался напротив него в положении, когда телескоп направлен на меридиан. При повороте телескопа на 15º к западу указатель должен показывать 1h, при повороте еще на 15º--2h и т. д.
Как разместить круги? Круг склонений в простейшем случае можно снабдить полоской миллиметровки, наклеенной на его обод. Полоску возьмем длиной 360 мм и размесим ее так что каждому градусу будет соответствовать 1 мм. На конце поставим "0", через 90 мм -- "900",еще через 90 мм - "0" и наконец-- "--900". Для того чтобы длина окружности в точности равнялась 360 мм, надо, чтобы диаметр круга был равен 114,6 мм, но если учесть толщину бумаги и слой
Рис. 74. Разметка координатных кругов.
а) С помощью большого транспортира и линейки, б) с помощью циркуля и линейки, в) разметка на сверлильном станке.
клея, диаметр основы круга надо уменьшить на 0,3 мм и сделать равным 114,3 мм. Разумеется, что если диаметр круга увеличить в два раза, до 229,2 мм, то точность отсчета возрастет в два раза. Можно, как предлагал Р. Портер [14], нанести штрихи на круг из мягкого алюми