Астрономическая оптика. Как построить телескоп-рефрактор малой апертуры из подручных средств

Введение.

Известно, что телескоп – это глаза астронома. Но в связи с экономическими проблемами и рядом других факторов, не каждый может позволить себе купить его. Поэтому многие астрономы-любители строят телескопы сами, используя книги (Л. Л. Сикорук "Телескопы для любителей", М. С. Навашин "Телескоп астронома-любителя" и т. д.), но я считаю, что перед тем как браться за столь сложное дело необходимо набраться опыта построив себе маленький телескоп рефрактор (т. е. линзовый телескоп). О том как это сделать вы прочитаете в этой статье. Примечание веб-мастера. Поскольку иллюстраций (рисунков) к статье много, они даются в отдельном файле в формате html для удобства пользователей. Загрузить иллюстрации к статье, 22 Кб

Часть первая. ТРУБА ТЕЛЕСКОПА.

Оптический телескоп, который мы будем строить представляет собой две положительные (собирающие) линзы, первая из которых называется объективом, а вторая окуляром. Объектив собирает лучи в некую точку, называемую фокусом, а окуляр позволяет рассмотреть изображение в этой точке. Подобная система называется системой Кеплера (другой является система Галлея, где в качестве окуляра использовалась отрицательная (рассеивающая) линза. У системы Галлея изображение прямое, но маленькое поле зрения, а у этой системы большое поле зрения, но изображение перевернутое. Схематично представить систему телескопа можно так (рис.1). Рассчитать увеличение телескопа можно разделив фокусное расстояние объектива на фокусное расстояние окуляра, но увеличение не должно превосходить более чем 20х на сантиметр аппаратуры объектива. Разумеется, самый простой способ приобрести телескоп – это к5упить. В нашем случае можно купить небольшую подзорную трубу (диаметр объектива до 35 мм, а увеличение до 50 раз), которые продаются в универсальных магазинах в отделах туристического обеспечения и т. п. В этом случае надо будет изготовить для нее так называемую монтировку – то на чем крепится труба телескопа – о которой мы будем говорить ниже. Так же желательно сделать противоротник –небольшую (10-15 см) трубку, плотно надеваемую на трубу. Сделать его очень просто. Отрежьте две 10-15 см полоски ватмана склейте их в трубу (клей который вы будете использовать должен при высыхании становиться очень твердым), наматывая лист на трубу либо на болванку такого же диаметра (при этом необходимо учитывать, что около объектива труба скорее всего расширится). Необходимо из нутрии окрасить противоротник в черный цвет. Желательно использовать две полосы ватмана, это сделает изделие более прочным. Торцы обработайте наждачкой. Теперь окрасьте деталь. Вот труба телескопа готова. Но если купить подзорную трубу, то ее можно сделать самому. Хотя у покупной есть одно преимущество в ее оптической системе исключена хроматическая абберация – когда лучи одной длины волны проходят через линз меняют свою траекторию (путь) на иной угол нежели лучи другой длины волны или иначе изменяем цвета лучей меняется степень отклонения –этот эффект называется дисперсия (рис. 2). А в телескоп, который мы будем делать эта абберация, конечно, будет, но ее влияние не будет важно для наблюдающего астронома. Тем не менее приступив к изготовлению трубы. Для этого нам понадобится: 4 листа ватмана; линза от очков силой 1 диоптрия (фокусное расстояние 1 м), которую можно купить в оптике; окуляр с фокусом расстоянием 20-30 мм, либо объектив от фотоаппарата (без оправы) с таким же фокусом, в худшем случае небольшая линза с подобным фокусным расстоянием; клей, который при высыхании становится очень твердым; краски, белая и черная; тушь черная; картон; два или три шнурка; клей "Момент" и некоторая мелочь. Ну, приступим. Возьмите один лист ватмана и окрасьте его вдоль широкой стороны на 40 см черной тушью, так как это показано на рис. 3. Пока этот лист будет сохнуть повторите эту процедуру с другим листом. Теперь вам понадобится труба (например, водопроводная), либо деревянная болванка, главное чтобы ее диаметр равнялся 50 мм. Возьмите тот клей, который вы подобрали (если он будет недостаточно тверд, то труба телескопа получится мягкой (!!!) и смажьте или при помощи широкой кисти неокрашенную часть листа, разгладьте лист и намотайте его на болванку. Теперь возьмите чистый лист ватмана и с одной сторон промажьте его клеем. И намотайте поверх первого, следя за тем, чтобы не было морщин, если они появятся их необходимо разгладить. Закончив сматывать разровняйте шов (то место, где лист закончился) и по краям и в центре стяните шнурками. Дайте изделию как следует высохнуть (1,5-2 суток). Затем повторите всю операцию с двумя оставшимися листами, начиная с окрашенного, и так, как вы делали раньше, но теперь в качестве болванки используйте (не снимая в свою очередь с болванки) первую, уже высохшую трубу, сняв с нее шнурки и следя за тем, что бы трубы не слиплись. Дайте так же высохнуть, стянув шнурками, в течение 1,5-2 суток. В итоге у вас получится две плотно входящие друг в друга трубы. Теперь возьмите трубу большего диаметра (ту , которую вы сделали второй) и, отмерив от одного из концов 15см аккуратно и главное ровное (проверьте по угольнику (!) отпилите. Возьмите линзу, купленную в оптике, измерьте ее диаметр. Теперь измерьте наружный диаметр трубы и если он будет меньше (а, скорее всего так и будет) нарежьте из картона полосок шириной 2 см и, используя клей "Момент" намотайте их в виде кольца на большую часть трубы, так и то, что мы только, что отпилили. Из того же картона вырежьте круг диаметром равным диаметру линзы. В центре вырежьте отверстие диаметром 30-35 мм. Это делается так: циркуль ставится в центре круга (разумеется, циркуль установлен на радиус 15-17,5 мм) острием карандаша, а иглой по кругу делается много, много дырочек и центральная часть выдавливается. После этого круг проверните на чем-то круглом подходящего диаметра, что позволит сгладить шероховатости. Теперь окрасьте изделие – это диафрагма, служащая для того, чтобы ограничить диаметр линзы т. к. у линзы различные абберации и поэтому делать диаметр больше, чем 35 только во вред. Теперь вырежьте из картона полосу шириной 4 см и, установив трубу вертикально (кольцом вверх) положите на нее диафрагму, линзу (кольцом вниз) ту часть, которую мы отпилили. Используя "Момент", смажьте отрезанную полосу картона и обмотайте ей стык (рис. 4). Зафиксируйте изделие шнурками положив сверху что либо не очень тяжелое (толстую книгу, грузик и т. п.).

Теперь возьмите меньшую трубу и отступив от одного из ее концов 50 мм изнутри наклейте кольцо из полоски картона шириной 1 см. Изготовьте диафрагму (технология вам известна) диаметром равным внутреннему диаметру трубы и отверстием равному половине диаметра отверстия в первой диафрагме (рис. 5). Теперь малую трубу на половину вставьте в большую и, отмерев ровно метр от главной линзы, отрежьте остаток. На расстоянии 50-70 мм от конца малой трубы (противоположному диафрагме) намотайте из картона колечко в сантиметр шириной и около пяти миллиметров высотой (оно не даст трубе провалится внутрь другой). Остается укрепить окуляр. Здесь есть несколько подходов, в зависимости от того, какой размер имеет окуляр. Рассмотрим каждый по отдельности. Случай первый, где окуляр-линза большая по диаметру нежели труба. Тогда крепление производится так же как и в случае первой линзы. Если линза равна по диаметру, то надо будет отпилить от трубы пару сантиметров установить линзу и, прижав, наклеить сверху широкую полосу картона (то же сделайте, если и главная линза будет равна по диаметру трубе. Если линза будет меньше, то сверните трубку с внутренним диаметром равным диаметру линзы (придется подобрать подходящую болванку) и зафиксировать линзу, так же как и вторую диафрагму, зажав с двух сторон кольцами из картона. После эту деталь вставить в трубу (она должна плотно входить). То же придется сделать, если и первая линза окажется по диаметру меньше трубы. Если же вам все же повезло найти настоящий окуляр и он меньше по диаметру, чем труба, то отрежьте 2-3 см. полоски из картона и с помощью "Момента" обклейте оправу окуляра так, чтобы он плотно вошел в трубу. Если окуляр имеет такой же диаметр, как и труба, то обмотайте его и трубу так, чтобы они были точно равны друг другу и соедините широкой полосой картона. Если же окуляр больше трубы, то намотайте картон уже на трубу и так же соедините широкой полосой картона. В любом случае помните, что никакого перекоса быть не должно. Все делать надо старательно. Но все же очень не хорошо, если диаметр линзы окуляра будет больше 10 мм. Лучше ищите в пределах 5-7 мм. Покрасьте теперь (после того, как клей везде высох) трубу, дайте ей высохнуть и вот она готова. Хочется еще отметить, что не желательно касаться поверхности линзы, лучше держать их за бока и тем более недопустимо попадание клея или краски на них.

Часть вторая. СТРОИМ МОНТИРОВКУ.

Теперь у вас уже готова труба первого вашего самодельного телескопа, и вы уже испытали его, убедившись, но, наверное, вы заметили, что инструмент в руках трясется и зафиксировать его крайне сложно. То есть появляется необходимость его на чем-нибудь закрепить. Именно для этого и нужна монтировка. Есть два основных типа монтировок, а именно азимутальные – те у которых одна из осей вертикальна (полярная ось), а другая горизонтальная (ось скрепления) (рис.6 а) и поралактические, полярная ось которых наклонена на угол равный широте места, а ось склонения ей перпидикулярна. Эта монтировка позволяет следить за объектом поворачивая телескоп лишь по одной оси – полярной, для этого эту ось направляют параллельно оси вращения Земли, т. е. на точку северного полюса мира. Поралактические монтировки (их иногда называют экваториальными) бывают немецкие, английские (рамы) и американские (вилки) (рис. 6 б; в; г). Для нашего телескопа мы используем немецкую конструкцию установленную на треноге. Для ее изготовления понадобится: 6 реек штакетника по 1,5 метра длиной каждая; 0,5 метра шириной и толщиной (20*5 или около того) доски и метр бруса с сечением 5*5 или около того; 13 осей по 7-8 см. длиной с резьбой на М4 (хорошо подойдут оси от железных детских конструкторов); 10см. отрезок водопроводной трубы – диаметром 1,5/2 см; пара листов картона (для шаблона); белая и черная краска; немного воска; гайки и шайбы; шурупы; около метра стальной ленты, используемой при изготовлении деревянных ящиков; немного воска (парафина); т. п. Итак, для начала необходимо собрать ножки. Для этого во всех 6 рейках просверлите по 3 отверстия одно точно в центре, два других на расстоянии 2 см. от конца. Отверстия должны быть такими, чтобы в них входила ось, но не болталась и находится они должны в одинаковых местах на всех рейках (точно по середине по ширине рейки). Теперь с одного конца стяните рейки гайками, но помните, что здесь и во всех других узлах необходимо использовать шайбы (!), дабы избежать повреждения дерева. Туго затянув гайки, обрежьте излишки осей ножовкой по металлу. Далее из бруса изготовьте три кубика с шириной 30 мм, длиной 30мм и высотой 20 мм, проверьте его длину (рис. 7 а) и теперь с помощью оси и гаек, используя шайбы (!) стяните рейки посередине так, чтобы между ними находился кубик (рис. 7 б). Теперь нам необходимо изготовить шаблон для детали соединяющей ножки и носящей название "звезды". На картоне нарисуйте круг диаметром 150 мм и разделите его на три части углами по 120 градусов (рис. 8 а), далее от каждой из проведенных линий отступите влево и вправо по 30 мм и проведите параллельные линии (рис. 8 б), соедините точки пересечения линий с окружностью, проводя прямые через главные линии (рис. 8 в), а теперь сотрите окружность, главные линии и выступы линий (рис.8 г) и, получившуюся фигуру вырежьте и, положив на заготовленную широкую доску обведите. Выпилите деталь и обработайте наждачной бумагой в получившихся выступах просверлите горизонтальные отверстия для осей (причем они должны быть на таком же расстоянии от краев, как и у ножек. Теперь, используя шайбы, стяните ножки со звездой. Тренога готова. Нам с вами остается собрать головку монтировки, а начнем мы с детали, которая называется клин. Ее чертеж приведен на (рис. 9 а), здесь угол альфа = широте листа наблюдений (широте вашего города), которую вы можете найти в астрономическом календаре. Далее изготовим крепление для полярной оси. Чертеж приведен на рис. 9 б, следует быть осторожным при изготовлении носа – выпил должен не более 2/3 от ширины заготовки. Отверстие под полярную ось сверлится точно в центре, для этого проводится две диагонали из угла в угол в точке их пересечения будет являться центром. Так сначала пропиливают пилой, потом откалывают долотом и выравнивают напильником. Следующей деталью будет ось склонения с противовесом. В качестве противовеса используется обрезок водопроводной трубы. Закруглить окончание можно обстругав ножом и обработав нождачкой, но противовес должен ходить туго, чтобы не падал, отверстие под ось склонения сверлится так же как и предыдущей детали. Все остальные данные смотрите на рисунке 9 в. Последней деталью является ложе – это прямоугольный брус длиной в 100 мм с углублением на одной из сторон, вы точенным круглым напильником так, что бы труба телескопа плотно в нее ложилась и после того как мы ее зафиксируем хомутами, она не должна играть по краям, сверлятся сквозные отверстия, проложив шайбу закручиваются две оси так, чтобы в обе стороны торчали равные выступы (не менее 3-х см с каждой стороны). В центре ложа сверлится отверстие для оси с углублением для гайки. Теперь поговорим о том, как собрать это все воедино. Клин прикручивается к звезде шурупами, для чего в звезде сверлятся отверстия под шуруп делаются полсантиметровые углубления под шляпки шурупов (углубление делают большими сверлами) (рис.10 а). В креплении оси склонения так же сверлятся два отверстия с углублениями под шляпки и шурупами эта деталь прикручивается к лину (рис. 10 б), две другие детали вы соединяете осями – рис.1а, так же с шайбами, но теперь с каждой стороны будет по две гайки, сначала затягивайте одну, а затем, держа ключом первую, зажимайте ее второй (так называемой контргайкой (рис. 10 в). Теперь шнурками плотно привяжите трубу к ложу, возьмите стальную ленту и, обернув ею трубу проделайте в ней отверстие и наденьте на выступы оси трубы. Оси не отпиливать они еще понадобятся. Теперь выньте оси из ложа, оси соединяющие ножки со звездой полярную ось склоняющей. Отсоедините трубу и окрасьте телескоп. Но перед покраской возьмите три небольших гвоздика и снизу вбейте их ногти до конца (чтобы между шляпкой и деревом зазор равнялся 2-3 мм) и откусите у них шляпки кусочками. Это не даст вашему телескопу скользить. Ножки, трубу, и противовес (кусок водопроводной трубы) лучше красить в белый цвет, остальное в черный: теперь соберите монтировку, но в тех местах, где идет трение (между ножками и звездой, осью склонения и ложем, и между креплением полярной оси и осью склонения смажьте воском или парафином, чтобы глаже ходило. Можно смазать и тот стержень, по которому будет ходить противовес. Затяните оси получше, проверьте все ли вы сделали правильно. Вот, пожалуй, телескоп готов. Осталось изготовить еще одну немаловажную деталь – солнечный экран.

Часть третья. СТРОИМ СОЛНЕЧНЫЙ ЭКРАН.

Для этой работы нам понадобится метра три рейки сечением 2*2 см или около того, но не более 2,5. Кусок ДВП (где-то 25*25 см) и остатки стальной полосы после изготовления хомутов, а также стальная лента толщиной от 20 до 25 см. и прибейте его на рамку собранную из рейки. Эту рамку шурупами или, лучше болтами с гайкой с резьбой на 3 прикрутите к двум рейкам длинной в 70 см, так называемые стойки, которые отстоят от центра экрана на расстояние равное половине ширины ложа. Прикрутите на расстояние20 см. от конца рейки, а от верхней части экрана к концу реек опустите две диагональные рейки. Здесь так же крепите болтами с гайками. Далее вокруг экрана (с каждой стороны) прибейте бортик из картона высотой 10-15 см. На противоположенном конце укрепите хомут, такой, чтобы он мог свободно вмещать две такие рейки. Теперь отпилите еще два отрезка по 70 см. в них с одного конца просверлите пару отверстий так, чтобы они точно наделись на оси крепящие хомуты и торчащие из ложа. Теперь покрасьте всю конструкцию в белый цвет. После высыхания, укрепите направляющую на ложе при помощи шайб и гаек. Наденьте через хомуты на них экран на стойках. После этого к направляющим, фиксирующим хомуты из толстой ленты, в них необходимо просверлить отверстия на 3,2 мм и нарезать резьбу на М4, вкрутить болт, а к направляющим прикрутить хомуты шурупами (рис.11), а перед тем местом, где крепится главная линза, наденьте защитный экран из картона. Сторона его должна быть в два раза больше, чем у экрана, а отверстие в центре четко равняться наружному диаметру трубы. Таким образом, у вас будет солнечный экран, хорошо защищенный от постороннего света. Сам защитный экран лучше покрасить в белый цвет.

ЭПИЛОГ.

В этот телескоп вы увидите поверхность Луны с ее морями и кратерами, Солнце и пятна на нем, различите детали поверхности Юпитера, в том числе и Красное пятно, галилеевы спутники Юпитера и кольцо Сатурна, фазы у Венеры и Меркурия, полярные шапки на Марсе, массу двойных и переменных звезд: Плеяды, Гиады, Ясли, Туманность Ориона, Галактику Андромеды и многие другие объекты. Сможете вести регулярные наблюдения явлений в системе спутников Юпитера, изучать активность Солнца и либрации Луны, вести наблюдения переменных звезд и многое, многое другое. А я желаю вам вскоре построить себе мощный зеркальный телескоп, фотографировать с его помощью deep-sky и многого наилучшего. Напоследок, предупрежу вас, что оптику не стоит протирать тканью, пыль смахивайте кистью с длинным ворсом, а корпус трубы телескопа закрывайте полиэтиленом и обвязывайте веревкой. Сильные физические воздействия на телескоп не оказывайте т. к. дерево материал ломкий и сломать монтировку очень легко.