CC BY
178
УДК 520.2 В.Л. Парко СГГ А, Новосибирск
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СЕРИЙНЫХ АСТРОНОМИЧЕСКИХ РЕФРАКТОРОВ
Проведен сравнительный анализ преимуществ и недостатков астрономических телескопов-рефракторов, выявлены тенденции развития серийных приборов указанного типа.
V.L. Parko
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
DEVELOPMENT'S TENDENCIES OF THE SERIAL ASTRONOMICAL REFRACTORS
The comparative analysis of advantages and lacks of the astronomical telescopes-refractors is carried out; development's tendencies of serial devices of the specified type are revealed.
Астрономы, использующие серийно выпускаемые телескопы, при проведении астрономических наблюдений Луны, планет, шаровых скоплений, двойных звезд, ярких объектов каталогов Мессье, NGC и IC, в большинстве случаев отдают предпочтение телескопам-рефракторам, изображения в которых отличается от изображений, формируемых рефлекторами и зеркальнолинзовыми (катадиоптрическими) телескопами, большей четкостью, является более контрастным, в нем отсутствуют дифракционные пики, обусловленные наличием растяжек для крепления вторичного зеркала.
Эмпирическое правило, основанное на многочисленном опыте астрономических наблюдений деталей Луны, планет, разрешения двойных звезд, шаровых скоплений в типичных, земных условиях с использованием серийно выпускаемых телескопах, гласит, что хорошие 75 - 100 мм рефракторы обычно превосходят средние 150 - 200 мм рефлекторы или зеркально-линзовые телескопы, построенные по схеме Шмидт-Кассегрена. Выбор типа телескопа для указанных астрономических наблюдений является не таким однозначным при сравнении линзовых телескопов с зеркально-линзовыми, построенными по схемам Максутова-Кассегрена или Максутова-Ньютона, но и при их сравнении в большинстве случаев качество изображения в хорошем рефракторе будет лучше, чем в указанных телескопах такой же апертуры, за исключением некоторых дорогостоящих моделей последних. Основные причины очевидны: в отличие от рефлекторов (системы Ньютона, Грегори и Кассегрена) и зеркальнолинзовых телескопов (системы Шмидт-Кассегрена, Максутова-Кассегрена и др.), у рефракторов отсутствует центральное экранирование, значительно снижено влияние паразитных отражений внутри оптической системы на освещенность изображения неба, что способствует повышению контраста изображений небесных объектов на фоне ночного неба. Вместе с тем, рефракторы обеспечивают и меньшие потери излучения внутри оптической
системы: коэффициент пропускания оптической системы у рефракторов превышает 0,9; у рефлекторов составляет 0,77 - 0,8; у зеркально-линзовых телескопов - от 0,64 до 0,75. В указанных значениях коэффициентов пропускания для рефлекторов и зеркально-линзовых телескопов не учтены потери, обусловленные экранированием диагональным или вторичным зеркалами, величина которых в некоторых схемах телескопов может достигать 15 -20 % от общих потерь световой энергии. Кроме того, в связи с постепенным окислением зеркальных покрытий, коэффициент отражения в рефлекторах и зеркально-линзовых телескопах ежегодно снижается на 1-1,5 % для каждой зеркальной поверхности оптической системы. В то же время коэффициент пропускания оптической системы рефрактора редко значительно изменяется со временем. Так, рефракторы, изготовленные более ста лет назад, активно используются и в наше время: например, самый большой в мире линзовый телескоп - 40" рефрактор Йеркской обсерватории (США) находится в постоянном профессиональном использовании, начиная с 1897 г.
В результате, по сравнению с рефлектором или зеркально-линзовым телескопом апертура рефрактора как оптического прибора используется при астрономических наблюдениях наиболее эффективно. Это преимущество наиболее существенно проявляется при наблюдениях в условиях низкой атмосферной видимости, когда детали небесных объектов, рассматриваемые в телескоп с большой апертурой, смазываются турбулентностью земной атмосферы. Волнение земной атмосферы искажает приходящий от удаленной звезды плоский волновой фронт таким образом, что свою исходную форму сохраняют участки фронта размером не более 100-200 мм. При наблюдениях с хорошим объективом рефрактора близкого диаметра изображение объекта непрерывно смещается в фокальной плоскости вследствие изменений наклона плоских фрагментов волнового фронта, но качество мгновенного изображения остается дифракционным. Если бы изображение регистрировалось фотопластинкой, то за долгую экспозицию его мелкие детали оказались размытыми. Между тем система «глаз + мозг человека» привычно фильтрует случайные колебания изображения как целого, выделяя его мелкомасштабную структуру [1].
Отсутствие в рефракторах таких дополнительных ограничений апертур как растяжки позволяет получить распределение энергии в дифракционной картине изображения точки, соответствующее круглому входному зрачку; наличие же растяжек в пределах апертур рефлектора или зеркально-линзового телескопа приводит к изменению дифракционной картины в изображении точки и появлению дополнительных дифракционных пиков. В результате, без этих пиков, скрывающих слабые детали двойных звезд или смазывающих изображения шаровых скоплений, линзовые телескопы позволяют обеспечить более высокое разрешение при наблюдении близко расположенных звезд по сравнению с рефлекторами равных апертур [2].
К достоинствам рефракторов можно отнести и их конструктивную устойчивость к разъюстировкам, в закрытой трубе рефрактора слабее сказывается температурная конвекция воздуха на искажение волнового фронта.
Также оптические системы рефракторов являются более технологичными в изготовлении, что обусловлено прежде всего тем, что допуски на погрешности изготовления поверхностей линз сравнительно шире, чем на отражающие поверхности, а одинаковый класс чистоты достигается на сферических поверхностях меньшими технологическими затратами, чем на асферических.
Вышеуказанные преимущества объясняют популярность рефракторов у любителей астрономии, пользующихся серийно выпускаемыми телескопами, а, следовательно, и у фирм-производителей серийных телескопов.
Самыми массово выпускаемыми в мире телескопами, имеющимися в номенклатуре абсолютно всех производителей серийных астрономических приборов, являются рефракторы-ахроматы, имеющие, как правило, двухлинзовый склеенный (рис. 1 , а) или расклеенный объектив (рис. 1 , б).
Производимые серийные рефракторы-ахроматы существенно различаются по относительному отверстию - от 1/13 до 1/5, их апертуры варьируются от 50 до 150 мм. Наиболее широкий набор ахроматов предоставляет китайская фирма Бк^а1:сЬег - более 14 моделей.
В объективах рефракторов с апохроматической коррекцией аберраций используются стекла со сверхнизкой дисперсией или флюорит, что позволяет по сравнению с ахроматами обеспечить большую светосилу и лучшее качество изображения, но повышает стоимость оптики. Традиционно объектив апохромата является двухлинзовым (построенным по схеме, представленной на рис. 1б), или трёхлинзовым (рис. 2). Апертуры серийных апохроматов варьируются от 80 до 200 мм, а относительные отверстия от 1/8 до 1/5. Признанным мировым лидером в производстве рефракторов-апохроматов является японская фирма ТакаИаБЫ - в ее ассортименте 13 моделей апохроматов, объективы которых построены по указанным схемам.
а
б
Рис. 1. Типы рефракторов-ахроматов
Рис. 2. Схема рефрактора-апохромата
Несмотря на то, что рефракторы малых апертур достаточно компактны, легки и дешевы, при апертурах более 80 мм они становятся громоздкими,
тяжелыми и значительно более дорогими по сравнению с рефлекторами или зеркально-линзовыми телескопами. Например, 100 мм апохроматический рефрактор обычно стоит и весит столько же, сколько четыре-восемь 115 мм рефлекторов или 90 мм зеркально-линзовый телескоп, построенный по схеме Максутова-Кассегрена. Это связано с тем, что традиционно используемые в апохроматах особые стекла и флюорит дороги и значительно влияют на конечную цену телескопа.
На Новосибирском приборостроительном заводе (НПЗ) разработана новая схема апохромата на простых стеклах с разнесенными компонентами (рис. 3) [3], в которой используется всего два сорта обычного оптического стекла, полноапертурный компонент объектива выполнен в виде одиночной линзы, второй компонент - в виде трехлинзовой, а третий - виде двухлинзовой склеек, при этом диаметры второго и третьего компонентов существенно меньше диаметра первого компонента.
Рис. 3. Схема рефрактора-апохромата НПЗ
Не смотря на то, что конструкция трубы такого телескопа-апохромата сложнее по сравнению с традиционной, указанные особенности оптической схемы позволяют существенно снизить себестоимость производства. В настоящее время апохроматы НПЗ с апертурами 125 и 150 мм и относительными отверстиями соответственно 1/7,5 и 1/6,3 производятся мелкосерийно, их цена в два раза ниже аналогов, построенных по традиционной схеме с подобным качеством изображения.
Очевидно, что дальнейшее совершенствование апохроматов на простых стеклах является перспективным направлением развития серийно выпускаемых телескопов-рефракторов. В то же время общая методика расчета таких апохроматов в настоящее время отсутствует. Как влияют комбинации стекол и положение оптических компонентов на качество изображения? Возможно ли создание суперапохромата для серийного телескопа на простых стеклах? Каковы предельные значения относительных отверстий, апертур, угловых полей могут быть реализованы в апохроматах с разнесенными компонентами с учетом ограничений, накладываемых технологиями серийного производства? Для ответа на эти и другие вопросы необходимы теоретические исследования оптических систем современных рефракторов, разработка методики их расчета, подтверждение ее экспериментальными работами по созданию новых оптических систем конкурентно способных серийно выпускаемых телескопов.
1. Теребиж, В.Ю. Современные оптические телескопы [Текст] / В.Ю. Теребиж. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 126 c.
2. Михельсон, Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция [Текст] / Н.Н. Михельсон. - М.: Наука, 1976. - З64 c.
3. Пат. 2331094 Российская федерация, MПK7G02B 9/28. Апохроматический объектив [Текст] / заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Производственное объединение «Новосибирский приборостроительный завод». - №2006121862/28; заявл. 08.06.2006; опубл. 10.08.2008, Бюл. № 22. - С. 7.
© В.Л. Парко, 2010
