Обзоры

УЛУЧШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЛЕСКОПОВ-РЕФЛЕКТОРОВ СИСТЕМЫ НЬЮТОНА – ЧАСТЬ 2

УЛУЧШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЛЕСКОПОВ-РЕФЛЕКТОРОВ СИСТЕМЫ НЬЮТОНА – ЧАСТЬ 2
Некоторые простые доработки и модификации помогут устранить ужасный «тепловой пограничный слой» и превратят ваш телескоп в первоклассный инструмент.
Статья написана Брайаном Гриром (Bryan Greer) в 2004 году


В прошлом месяце я описал виды температурных проблем, которые негативно влияют на характеристики рефлекторов Ньютона, и как их обнаружить. В этой части я расскажу вам, как они могут быть сведены к минимуму так, чтобы ваш телескоп регулярно соответствовал своему потенциалу.

Тонкости внутри

Оказывается, что толщина главного зеркала в телескопах Ньютона - доминирующий фактор, определяющий, насколько быстро оптика успевает охлаждаться вместе с падающей температурой окружающего воздуха. На самом деле, это - хорошие новости для владельцев больших телескопов Добсона. Если бы была важна только масса зеркала, то перспектива его усовершенствования была бы мала - даже относительно тонкое 20-дюймовое (51-сантиметровое) в диаметре главное зеркало - тяжелый кусок стекла!
Для наглядности, посмотрите на главный график на титульном листе, который демонстрирует, как охлаждаются заготовки из пирекса толщиной в 1 дюйм различных диаметров; обратите внимание, насколько сходны кривые. Другой способ продемонстрировать важность толщины - измерить скорость охлаждения зеркал одинакового диаметра, но различной толщины. Обычно разность температур для зеркал толщиной в 2 дюйма или больше составляет более 3°C (5.4°F), что отчетливо видно при наблюдениях, когда температура окружающего воздуха быстро падает.
При подборе материала для данной статьи, автор протестировал много различных заготовок зеркал и вентиляторов, некоторые из которых показаны на этой фотографии. В наличии имеются
соответствующие вентиляторы постоянного тока различных размеров и производительности. Маленький вентилятор, лежащий на ладони, хорошо подходит для 6-дюймового телескопа Ньютона, потому, что он создает минимальную вибрацию, потребляет мало энергии и одновременно обеспечивает охлаждение достаточное для зеркала такого размера.
Если посмотреть на кривые охлаждения на меньшем графике на титульном листе, станет очевидно, что более тонкие зеркала охлаждаются быстрее, чем более толстые. Это, конечно, важно, но есть второй, трудноуловимый фактор, на который стоит обратить внимание - зеркало, которое охлаждается быстро, также чутко реагирует на постоянно меняющуюся температуру окружающего воздуха.
Толщина зеркала оказывается важнее его диаметра, когда необходимо определить, насколько быстро оно достигнет уровня необходимого для получения оптимального изображения (синяя зона). Чтобы построить главный график были протестированы три зеркала толщиной в 1 дюйм, имеющие различный диаметр. Обратите внимание, насколько идентичны их кривые охлаждения.
Если сравнить два 10-дюймовых зеркала различной толщины, то температурное преимущество -более тонкого подслоя становится очевидным. (В этих тестах не использовались никакие вентиляторы).
Все эти графики позволяют предположить, что ультратонкие зеркала показывают лучшие результаты. Компьютерная модель, фактически, демонстрирует то, что 2-дюймовые (13-миллиметровые) зеркала остаются приемлемо свободными от проблем пограничного слоя для большинства регионов, где температура падает на 2°-4°C в час.
Однако не спешите пока заказывать себе новое ультратонкое зеркало - высококачественные тонкие зеркала сложны в изготовлении и для них требуются тщательно разработанные разгрузочные системы, чтобы оптика не провисла под собственным весом. Все же учитывая важные температурные преимущества тонких зеркал, возможно, пришло время начать оценивать оптику телескопов Ньютона по-другому. Если учесть, сколько труда и денег требует изготовление оптической системы высококачественного апохроматического рефрактора, которая имеет не одну, а часто шесть поверхностей, затраты на первоклассную оптику не покажутся такими большими. Возможно, нам стоит посмотреть на конструкцию телескопов Ньютона не только как на дешевую альтернативу рефракторам, и найти такой подход, который позволит полностью использовать возможности конструкции рефлекторов Ньютона. Затраты на более сложные разгрузочные системы и дорогостоящие зеркала могли бы быть оправданы, если бы величина потенциального выигрыша в оптических характеристиках осознавалась в полной мере.
Вентиляторы в помощь
До сих пор мы рассматривали условия охлаждения только в пассивной форме - зеркало, расположенное в основании трубы, охлаждается, теряя накопленное тепло, столько времени, сколько позволяют условия.
Но существуют также активные стратегии, которые обычно подразумевают использование одного или нескольких недорогих вентиляторов, чтобы ускорить процесс охлаждения зеркала. В то время как известным фактом является то, что вентиляторы могут улучшить качество изображения в рефлекторах Ньютона, у некоторых пользователей все еще существует неуверенность относительно их использования наилучшим способом. Насколько большой вентилятор мне нужен? Куда мне его поместить? Ответы в значительной степени зависят от размера телескопа, его конфигурации, и даже, отчасти, от стиля наблюдения владельца инструмента.
Вентиляторы могут выполнять два полезных действия, и в некоторых случаях они осуществляются одновременно. Во-первых, они увеличивают скорость воздуха, двигающегося по поверхности зеркала, что значительно увеличивает скорость теплоотдачи от стекла в воздух. Это, в свою очередь, со временем уменьшает разность температур и интенсивность пограничного слоя. Такую пользу могут принести вентиляторы, обдувающие зеркало либо спереди, либо сзади, либо и спереди, и сзади.
В дополнение к более быстрому охлаждению зеркала, когда поток воздуха направлен спереди зеркала (как рекомендует Алан Эдлер в своей январской статье 2002 г. "Тепловое управление в рефлекторах Ньютона"), движущийся воздух также имеет возможность фактически изменять пограничный слой - обычно делая его структуру намного тоньше.
Младший редактор Гари Сероник использует 1,5-дюймовый вентилятор от центрального процессора на своем 6-дюймовом телескопе Ньютона, чтобы температура его главного зеркала соответствовала температуре окружающего воздуха. Вентилятор обдувает лицевую сторону зеркала сбоку, и воздух выходит с противоположной стороны трубы через три дюймовых отверстия.
При наличии мощного пограничного слоя, это почти сразу сделает четкими мелкие детали изображения. Имея в виду оба полезных свойства вентиляторов, вы сможете разработать наиболее практичную и эффективную стратегию по расположению вентиляторов в своём телескопе.
Мои тестирования охлаждения на открытом воздухе показывают, что в телескопах с зеркалами, имеющими толщину меньше 1/2 дюйма, можно поддерживать достаточно маленькую разность температур, когда вентилятор дует только с одной стороны зеркала. Из практических соображений, эта сторона обычно означает тыльную поверхность зеркала, т.к. прикрутить один вентилятор сзади к оправе зеркала большинства телескопов Ньютона маленького и среднего размера является довольно простой задачей.
Этот габаритный рефлектор Добсона имеет ряд важных особенностей, позволяющих сократить время охлаждения зеркала. В данном телескопе не только полностью открыта тыльная сторона тонкого зеркала, он также имеет не менее четырех вентиляторов, обдувающих зеркало. Даже 8-дюймовый искатель оснащен охлаждающим вентилятором.
После включения вентилятора, обычно требуется 30 или менее минут, для того чтобы уменьшить разность температур до той отметки, когда пограничный слой будет практически устранен. Для владельцев маленьких и даже средних телескопов Добсона это может быть одной из самых недорогих модификаций, какие только возможны.
Несмотря на то, что небольшое дополнительное усовершенствование можно также получить путем добавления фронтального вентилятора, оно не является существенным, если вы готовы подождать всего лишь несколько минут пока установленный сзади вентилятор сделает свою работу. Главное, чтобы дополнительная сложность процесса установки фронтального вентилятора (монтаж которого обычно требует больше доработок) не удержала вас от использования каких-либо вентиляторов вообще!
Как показано на графике слева, лучшие температурные показатели имеют зеркала толще 1/2 дюймов, поверхность которых охлаждают вентиляторы как спереди, так и сзади; однако стоит подчеркнуть, что охлаждение только тыльной стороны намного
лучше, чем отсутствие каких-либо вентиляторов вообще. Когда толщина стекла превышает 2 дюйма, вентилятор, охлаждающий только с одной стороны, не сможет удалять достаточное количество тепла, чтобы зеркало соответствующим образом успевало охлаждаться вместе с падающей температурой окружающего воздуха.
Устранение ненужных вибраций
Итак, какова же цена установки вентиляторов в ваш телескоп? Единственный недостаток работы вентиляторов – это появление микровибраций, искажающих изображение. К счастью, этой проблемы можно избежать, закрепив вентиляторы надлежащим образом. Лучше всего установить их с помощью сверхпрочных резиновых прокладок или миниатюрных амортизирующих тросов.
Автор статьи охлаждает свой 8-дюймовый телескоп Ньютона вентилятором мощностью 19-кубических футов в минуту, установленным на пластмассовой пластине, которая крепится к телескопу тремя эластичными резинками для волос, намотанными вокруг шурупов с внешней стороны трубы телескопа. Это обеспечивает надежный способ устранения вибрационных проблем и позволяет легко устанавливать, демонтировать, или даже переворачивать вентилятор.
Основные сведения о теплопередаче

На сопроводительной диаграмме изображено зеркало телескопа в процессе достижения температурного равновесия с окружающим воздухом. Для того чтобы зеркало остыло, накопленное им тепло должно пройти через две различные среды - стекло и воздух. Во-первых, тепло внутри зеркала должно переместиться на поверхность стекла за счёт теплопроводности. Этим потоком тепловой энергии управляет разность температур между теплым центром зеркала (Tс) и более прохладной поверхностью (Ts). Затем, более прохладный окружающий воздух (Ta) поглощает тепло, излучаемое стеклянной поверхностью, и уносит его за счёт конвекции. Это приводит к формированию теплового пограничного слоя. Когда тепло выходит наружу, разность температур между центром стекла и воздухом, окружающим зеркало, уменьшается. Если разность температур
отсутствует (ΔT = 0), пограничный слой не образуется и, следовательно, качество изображения не ухудшается.

Лучшие температурные показатели имеют толстые зеркала, поверхность которых обдувают вентиляторы как спереди, так и сзади. С помощью фронтальных и тыльных вентиляторов, это 12,5-дюймовое в диаметре, 2-дюймовое в толщину зеркало из пирекса остывает до состояния, близкого к температурному равновесию, в два раза быстрее, чем с помощью только одного вентилятора.
Учитывая эти процессы, легче понять, почему изменения конструкции телескопа или: (a) увеличивают скорость теплопередачи от середины стекла до его поверхности, (b) уменьшают количество тепла, накопившегося внутри стекла, или (c) увеличение скорости теплопередачи от стеклянной поверхности до окружающего воздуха уменьшит ΔT, и, соответственно, интенсивность пограничного слоя. Скорость, с которой тепло перемещается сквозь стекло, является функцией теплопроводности материала, которую нельзя изменить, если для изготовления зеркала мы используем обычные материалы, такие как пирекс или зеркальное стекло. К счастью, можно управлять другими двумя факторами - мы можем уменьшить количество накопившегося тепла, используя более тонкие зеркала и держа телескоп на открытом воздухе, и мы можем значительно увеличить скорость теплопередачи от поверхности зеркала, сдувая с нее воздух вентилятором.
Однако если вы прикрепите вентиляторы непосредственно к телескопу (даже используя прокладку из пеноматериала), на изображении могут появиться микровибрации. Такой подход следует рассматривать как неприемлемый - замена одной проблемы, связанной с ухудшением качества изображения, на другую не имеет никакого смысла.
Если микровибрации не сильные, то они могут оставаться незамеченными, потому что их воздействие (хотя и очень реальное) не сразу заметно, когда вы наблюдаете Луну или планету. Определительные испытания проводятся с целью наблюдения яркой звезды при высоком увеличении, позволяющем фактически обнаружить дифракционный кружок [диск Эйри]. При этом увеличение должно составлять 40x на дюйм апертуры (например, больше чем 300x для 8-дюймового рефлектора). Вам также потребуется проводить испытания на ночном небе без турбулентности, т.к. плохая видимость мешает рассмотреть дифракционный кружок. Отцентрируйте звезду и включайте и выключайте вентилятор, пока вы внимательно рассматриваете дифракционный кружок. При включённом вентиляторе на нем не должно быть никаких выпуклостей или других изменений внешнего вида.
Владельцы массивных телескопов Ньютона, возможно, будут вынуждены прибегнуть к тестированию вибраций по искусственной звезде. В таких телескопах угловой размер дифракционного кружка составляет лишь доли угловой секунды, и атмосферные условия иногда не позволяют его рассмотреть. К счастью, искусственная звезда может быть сделана из простого украшения для новогодней елки и электрического фонарика, как описано в книге Сьютера (H. R. Suiter) «Звезда, тестирующая астрономические телескопы» (Willmann-Bell, 1994)*
Определение скорости потока
Определение, какую охлаждающую мощность должен иметь ваш вентилятор, является простой технической задачей. Вентиляторы классифицируются по объему воздуха, нагнетаемого ими за определенный промежуток времени. Чаще всего единицы измерения - кубические футы в минуту. Один способ определения, какой мощности поток воздуха вам требуется, заключается в том, чтобы измерить его и составить диаграмму кривых охлаждения для ряда вентиляторов. Поскольку вентиляторы становятся более мощными (или больше таких вентиляторов используется), в конечном счете, они достигают того предела, когда скорость охлаждения перестает существенно расти. Это происходит, когда воздушный поток находится на уровне, где максимальная скорость теплопередачи путем конвекции была достигнута, и перенос остаточного тепла из внутренней стороны зеркала на его поверхность становится затруднительным. На этой стадии, увеличение производительности вентилятора только усилит вибрацию и шум, а также приведёт к увеличению потребления энергии, не улучшая процесс охлаждения.
*Имеется в продаже в Sky Publishing
Этот график, составленный для 12.5-дюймового в диаметре, 2-дюймового в толщину зеркала из пирекса, показывает, что использование вентиляторов мощностью более чем приблизительно 20 куб. футов/мин приводит лишь к незначительным улучшениям. Однако эти тесты также показывают, что любое количество нагнетаемого потока воздуха очень полезно. (Для данных тестов воздух нагнетался только с тыльной стороны зеркала).
Я протестировал несколько зеркал одинакового размера, охлаждая их вентиляторами разной мощности - результаты представлены в таблице внизу страницы. Не обязательно строго придерживаться этих экспериментально полученных данных, поскольку важным результатом моих тестов является то, что любое количество нагнетаемого потока воздуха приводит к значительным улучшениям.
Несмотря на то, что самым эффективным методом охлаждения является вентилятор, направленный на поверхность зеркала, вместо этого, в некоторых случаях, может оказаться полезным изменить положение вентиляторов так, чтобы они нагнетали воздух мимо зеркала. Если вы проводите наблюдения в условиях запылённости, нагнетание воздуха внутрь сверху трубы и выдувание теплого воздуха снизу может уменьшить накопление грязи на зеркале. Однако если вы выберете этот способ охлаждения, закрывайте часть трубы, где находится зеркало, оставляя только отверстие для вентилятора. Это служит гарантией того, что большая часть воздуха фактически поступает изнутри телескопа, а не просто бесконечно циркулирует в замкнутом цикле -вокруг корпуса вентилятора.
В конечном счете, практически в любых условиях вентиляторы должны непрерывно работать на протяжении всего времени наблюдений (что делает защиту от вибрации при установке вентиляторов еще более важной). Несмотря на то что вентиляторы значительно сокращают начальное время охлаждения, настоящая отдача наступает, когда их оставляют работать и, по возможности, сводить разность температур к нулю, а также поддерживать ее на том же уровне на протяжении всей ночи. С этой задачей справится правильно рассчитанная система охлаждения, которая соответствует значениям воздушного потока, представленными в таблице.

Для массивных телескопов Ньютона, или в ситуациях, когда начальная разность температур велика (например, в холодные зимние месяцы), хорошо подходит другая стратегия, состоящая в том, чтобы временно установить дополнительный вентилятор для продувания телескопа холодным воздухом с передней стороны трубы, пока вы настраиваете свое оборудование. Это сократит период начального охлаждения, и, так как дополнительный вентилятор спереди телескопа не позволит проводить наблюдения, вибрации от него не имеют значения, следовательно, можно использовать обычный бытовой вентилятор. Как только вы будете готовы начать наблюдения, уберите этот вентилятор, но продолжайте использовать обычный вентилятор.

В то время как большинство любителей, использующих вентиляторы, сообщают о значительных улучшениях качества изображения, иногда мне встречаются скептики. Их скептицизм обычно возникает не из-за нехватки у этих людей опыта наблюдений, а из-за их стиля наблюдения. Откровенно говоря, польза от охлаждения вентиляторами телескопов Ньютона наиболее заметна на планетарных и лунных наблюдениях. Наблюдение планет является самым трудным испытанием для любого телескопа, потому что наблюдатели работают с большими увеличениями и часто пытаются увидеть очень блеклые неконтрастные детали изображения. Если галактики и туманности представляют для вас главный интерес, то усовершенствования телескопа будут предположительно менее заметными. И все-таки, я редко сталкивался с астрономом-любителем, который на самом деле избегает смотреть на планеты, таким образом, я -подозреваю, что большинство владельцев рефлекторов Ньютона будут щедро вознаграждены за свои усилия, вложенные в температурные усовершенствования телескопов. Конечно, учитывая минимальные затраты времени и денег, вы очень много приобретете и очень мало потеряете.

БРАЙАН ГРИР инженер-механик, телескопостроитель и основатель компании ProtoStar. Он часто участвует в качестве приглашенного лектора на стар патти. Более подробную информацию о его исследованиях в области телескопов можно найти на: http://www.fpi-protostar.com/bgreer *
Июнь 2004 Небо и Телескоп
(перевод выполнен Aquila, декабрь 2009)

Нет комментариев

Добавить комментарий