Об изготовлении телескопа в домашних условиях

У меня есть простой телескоп Celestron PowerSeeker 127 EQ, вот этот, на фотографии выше. Мне его жена на день рождения подарила. Это был довольно спонтанный подарок вроде такого: «я не знаю, что тебе подарить, о смотри магазин, давай зайдем посмотрим». В принципе, я был очень рад такому подарку, штука очень интересная. Однако, за время его использования я понял, что мне хочется большего. У этого телескопа PowerSeeker 127EQ есть ряд существенных конструктивных недостатков о которых я по неопытности просто не догадывался. Основной недостаток — это сферическое главное зеркало и корректирующая линза к нему. Как следствие, переусложненная оптическая схема, неточности посадки корректирующей линзы, которая к тому же не высокого качества. В общем, качество наблюдаемого изображения при таком диаметре зеркала думаю могло быть и получше.

Я задумался о том, что мне нужен другой телескоп. Это нормальная ситуация. Говорят, что какой бы не был у любителя телескоп, он всегда мечтает о лучшем. И тут возникает вопрос: купить или сделать самому? Ответ на самом деле неочевиден. Купить наверняка проще, а может быть и дешевле? Строить самому при отсутствии опыта — сложная техническая задача, не известно получится ли вообще и не понятно будет ли это дешевле, чем просто купить.

Я вступил на скользкую тропу самостоятельного телескопостроения. Далее расскажу о моих первых шагах в этом направлении, но сразу предупреждаю, что пока не ждите прочитать статью с хэппи эндом. Мне до него очень далеко (если вообще он случится).

Итак, начинать нужно с изучения теории.
По моему мнению нет ничего лучше, чем книга «Телескопы для любителей астрономии», Л.Л.Сикорук, 1982. Несмотря на то, что книге более тридцати лет, более подробного изложения «от и до» я не встречал. Есть еще книга М. С. Навашина "Телескоп астронома-любителя", 1979. Тоже полезно.

Кроме этих весьма полезных книг, конечно, можно и нужно посещать астрофорумы. например, вот этот: http://www.astronomy.ru/forum/. Тут можно и вопрос спросить и почитать, кто, что и как делает.

Последний приют: youtube.com. Может показаться странным, но телескопы по всему миру строят очень многие люди. Некоторые даже ведут видеоблоги и показывают процесс изготовления. Ключевые слова для поиска по ютюбу: mirror grinding.

В целом я бы сказал, что ниша любительского телескопостроения в России кажется абсолютно пустой (но это не точно). В европах и америках есть специальные магазины, которые продают и заготовки к зеркалам (mirror blanks), и шлифовальные порошки, и инструменты и комплекты для изготовления зеркал (teleskope mirror kit).

У нас сейчас, конечно, не 79-й и не 82-й год, но вот где взять заготовку к зеркалу телескопа? Или где взять шлифпорошки? Я нашел несколько оптических заводов, но похоже они абсолютно не заинтересованы в частных заказчиках. Вероятно у них главный заказчик — это государство в лице ВПК. Я хотел купить заготовку зеркала — диск диаметром 200 миллиметров и мне сказали, что он будет стоить около тридцати тысяч без пересылки. Возможно там очень качественное оптическое стекло, а я дилетант просто не понимаю (без иронии, я знаю, что где-то может потребоваться исключительное качество).

Сказать по правде за тридцать тысяч можно уже готовое большое зеркало купить где нибудь в великом Китае.

В общем я решил делать из подручных материалов, как советовал делать Сикорук в своей книге. Подручный материал — это витринное стекло (но некаленое). Мне нужно вырезать несколько дисков из стекла толщиной 10 миллиметров и потом их склеивать жидким стеклом. В своей книге Сикорук пишет и обосновывает необходимую толщину главного зеркала в зависимости от его диаметра.

Эпопея первая. Вырезание заготовки из стекла.

Пошел к стекольщику и попросил его вырезать мне прямоугольные куски 10 мм стекла примерно 250х250 миллиметров, но они все должны быть из одного листа, чтобы быть уверенным в одинаковых свойствах всех заготовок.

Пошел в магазин и купил пару алюминиевых кастрюль внутренним диаметром 180 миллиметров. Именно такой я задумал делать телескоп Сказать по правде Сикорук советует делать первый телескоп не более 100 миллиметров и на нем набираться опыта, но нет, мы же умные, делаем сразу 180.

Кастрюля была распилена и к донышку прикручен груз и два торчащих болта.

Это будет фреза.

Далее идет долгий и мучительный процесс изготовления станка для вырезания заготовки. Тут пригодится двигатель от старой стиральной машинки, шкив от нее же, какой-то старый редуктор, куски фанеры, шпильки, гайки и прочая ерунда.
В целом выглядит вот так:

Крышка от кастрюли приклеена к стеклу силиконом и у нее загруты края. Она служит центрирующим элементом для моей фрезы. Фреза, ну то есть пол-кастрюли надевается сверху и приводится во вращение редуктором от мотора.

Работает эта штука вот так (мое видео):

Во время работы под края фрезы нужно постоянно подсыпать абразив. Поработало с абразивом минут пять-семь, абразив источился и перемешался с крошками стекла и алюминия. Смыть старый абразив и насыпать новый. Я потом приловчился делать все это на лету не выключая мотор. Поработало, смыл и тут же ложечкой подсыпал нового абразива.

Вот не очень удачное фото, но видно, на сколько «фреза» погрузилась в толщу стекла:

Абразив я добывал так же, как это делали наши далекие предки во времена мамонтов. У меня был кусок старого шлифовального круга. Я его дробил молотком на наковаленке.

Получившиеся кусочки еще стучал молотком, крошки собирал в баночку — получился грубый абразивный порошок. Конечно, на этом этапе такое дикарство еще допустимо, а вот дальше придется повышать культуру производства.

В итоге, один 180 миллиметровый диск из 10 миллиметрового листа на моем станке выпиливается примерно за три — три с половиной часа. Я вырезал четыре диска:

Мое богатство:

По моему плану я их склею попарно жидким стеклом, края обработаю эпоксидкой, как советует Сикорук, и у меня будет две 180 мм заготовки главного зеркала. Далее я начну их точить и, вероятно, один испорчу. Ну а второй, буду надеяться, что получится.

Я уже приобрел для этой миссии набор шлифпорошков:

А вот дальше начинается уже другая история. Нужно точить. Делается это за несколько этапов: грубая формовка-обдирка, шлифовка и далее полировка. Я честно застрял на этом этапе. Вот несколько иллюстраций из книги «Телескопы для любителей астрономии»:

Обдирка:

Шлифовка:

Типичные ошибки:

К сожалению, несмотря на подробные объяснения в книге Сикорука и из других источников, у меня нет абсолютно точного представления, как это нужно правильно делать. Проблема в том, что нужно исполнить параболу с очень высокой точностью: ошибки, бугры или ямки на главном зеркале должны быть менее 1/8 длины волны света. Точность исполнения параболы должна быть не менее 0,05 мкм.

Вот как пишет Сикорук в своей книге:

Процесс фигуризации и теневых испытаний трудно разделить на составляющие — это единый творческий процесс, где решающую роль часто играют не только знания, но и интуиция. Вообще, этот процесс настолько интересен сам по себе, что автор, например, часто не торопится с окончанием, пробуя работать и так и этак, находя большое удовольствие в процессе фигуризации, хотя, спору нет, вид совершенно плоской теневой картины — зрелище потрясающее.

В процессе полировки, по словам Дж. Маттьюсона, «всегда есть элемент мистики». Отчасти это объясняется тем, что процесс полировки во многом недостаточно изучен, но отчасти и тем, что мастеру самому часто хочется немного мистики, когда фигуризация перестает быть просто технологией, а становится в значительной степени искусством. Не зря Д. Д. Максутов говорил, что оптик предпочитает «колдовать» над самодельной смолой полировальника, не доверяя заводской смоле. (Правда, если вам представится возможность приобрести заводскую полировальную смолу, надо это сделать). Нередко успех дела решает творческий порыв, и чтобы для творчества оставалось побольше времени, надо предупредить причины, которые явно приводят к неприятностям.

Получается, что видимо не существует четких методик, по которым нужно действовать, чтобы получить истинную параболу?

На самом деле, конечно, в той же книге Сикорука рассказывается, как контролировать форму зеркала. Для этого нужно сперва построить специальный «теневой прибор». Однако, с помощью этого прибора думаю можно обнаружить зональные ошибки, но абсолютно не понятно, как модифицировать полировальник, чтобы при дальнейшей полировке зональные ошибки выправлялись.

Я пересмотрел множество видеодемонстраций на ютюбе: тут есть и формовка и шлифовка и так называемая «параболизация» магическим штрихом «W».

Вот несколько красочных видео:
Грубая обработка:

Mirror grinding: 200 f/5 fine grinding:

Еще люди строят станки для механической обработки зеркала:

Из всего этого выходит, что каждый делает, как придумает, но как сделать так, чтоб гарантировать результат? Тут есть над чем задуматься…

После довольно долгих раздумий, я решил прежде чем точить нужно попытаться сделать программную модель всего процесса шлифовки. Почему-то мне казалось, что сделать это будет довольно просто. Я подумал, что я буду делать станок для шлифовки, примерно такой, как в последнем видео.

Заготовка зеркала должна медленно вращаться внизу, а сверху возвратно поступательными движениями с помощью кривошипно-шатунного механизма будет двигаться, например, стальное обдирочное кольцо.

Я решил, что программная модель может быть очень простой: нужно посчитать время нахождения каждой точки заготовки зеркала под поверхностью обдирочного кольца. Можно пробовать считать не всю поверхность заготовки, а только один срез-радиус.

Вот это видео сформировано из снимков процесса виртуальной обдирки в моей программе:

Я думал, что подбирая в программной модели длину штриха, длину плечей кривошипно-шатунного механизма (а его движение это далеко не синусоида) я смогу точно сказать, как нужно точить, чтобы выйти на параболу.

К сожалению, должен сказать, что чем дальше я вникаю в проблему, тем больше понимаю, что моя виртуальная программная модель не работает совсем. Я не учитываю слишком многих параметров, которые влияют на скорость стачивания стекла: например, я не учитываю скорость трущихся частей, а она разная в центре и по краям. Потом я пока не учитываю давление обдирочного кольца на заготовку, а это видимо нужно сделать, так как в процессе работы форма заготовки меняется, а значит меняется и распределение сил трения по поверхности заготовки.

Когда я писал эту статью я даже думал здесь целиком привести исходный код своей программы (C/C++), однако, какой в этом смысл, если программа не работает?

В настоящий момент я занялся кардинальным переписыванием своего программного обеспечения и намерен все таки сделать программную модель процесса фигуризации зеркала. Возможно, если все таки у меня это получится, я опубликую свой код.

Пока вот так.

Автор: nckma

Источник