Киевский клуб любителей астрономии "Астрополис"

astromagazin.net
* *
Добро пожаловать, Гость. Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь.
14 Декабря 2017, 19:12:02


Автор Тема: Остывание телескопа  (Прочитано 3759 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

tlgleonid

  • Клуб Астрополис, Модератор
  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 6618
  • Благодарностей: 404
Остывание телескопа
« : 31 Января 2012, 14:03:49 »
. - .

   Как-то, в один из холодных ноябрьских дней много-много лет назад у меня появился первый телескоп. Это был небольшой, по нынешним меркам, инструмент с диаметром объектива 65 мм. Но, как это обычно и бывает, я очень надеялся увидеть в него подробности в кратерах Луны, кольца Сатурна, полосы Юпитера, фазы Венеры. Однако, затянутое сплошной пеленой облаков небо не спешило делиться со мной своими тайнами. Наконец-то, в один из вечеров небо неожиданно прояснилось, и на нем засияла еще молодая Луна,  а также множество искорок-звезд, среди которых выделялся своим ровным ярким сиянием величественный Юпитер и слегка бледноватый Сатурн. Естественно, что я сразу же вынес телескоп во двор и навел его на небо. Увы, кольца Сатурна были как бы нерезкими, а края планеты - размытыми. Так я столкнулся с первым врагом всех владельцев телескопов - проблемой теромстабилизации.
   Оказывается, что если вынести телескоп из теплого помещения во двор, где температура воздуха уже ниже нуля, то оптика не может остыть мгновенно. Что бы температура зеркал или линз выровнялась с температурой окружающего воздуха, требуется время, иногда весьма значительное. Сколько конкретно времени потребуется, зависит как от разности температур, так и от типа оптической системы, размеров и свойств оптики.
   Что бы можно было привести конкретные цифры и дать какие-то советы, нужно рассмотреть физику процесса охлаждения и понять, почему же разность температур приводит к некачественным изображениям. Как известно, тепло переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Теплый воздух, будучи более легким, поднимается вверх, а холодный - опускается вниз. Есть еще один способ передачи тепла - излучение. Любое нагретое тело излучает инфракрасные лучи света, которые уносят с собой тепловую энергию. Как только мы выносим свой телескоп на улицу из теплого помещения, он начинает остывать. Как правило, быстрее всего остывает труба телескопа. Ведь из-за теплового излучения тепло с поверхности трубы довольно быстро уходит в межзвездное пространство. Какую-то часть тепла уносит даже легкий ветерок, обдувая теплую трубу. Да и воздух, находящийся в трубе,  будучи теплым, довольно бодро вытекает из нее в атмосферу. Вместо него в трубу затекает холодный воздух.  Однако, если теплый воздух вытекает вдоль верхней части трубы, то холодный воздух затекает через нижнюю часть. А поскольку коэффициент преломления теплого и холодного воздуха различается, объектив телескопа перестает работать, как единое целое. Но холодный воздух не остается все время холодным. Опускаясь к объективу телескопа, он немного нагревается от стенок трубы, а потом и от самого объектива. Нагреваясь, он уносится вверх вместе с теплым воздухом. Когда небольшая порция теплого воздуха начинает сталкиваться с уже остывшей трубой, она передает трубе часть своего тепла, а сама немного опускается и уменьшает скорость вытекания, нередко меняя даже направление движения. Появляются завихрения. Работая, как маленькие линзы с нестабильными характеристиками, они еще больше портят итоговое изображение.
Записан
Задокументировано наблюдение  >1500 Deepsky объектов.
ТАЛ75R, GSO 6" 1:4 +HEQ5Pro SynScan+Canon1000D+QHY6+фильтры R,V+Юпитер21М+QHY5, 265мм и 415 мм Добсоны HandMade+o3+hb+uhc+...
FAQ по любительской астрономии

tlgleonid

  • Клуб Астрополис, Модератор
  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 6618
  • Благодарностей: 404
Re: Остывание телескопа
« Ответ #1 : 31 Января 2012, 14:04:13 »
. - .

   Естественно, что процесс этот постепенно будет затихать, поскольку в результате теплоотдачи тепла от объектива телескопа к холодному воздуху зеркало будет все больше и больше остывать. Если бы не было излучения, то процесс этот был бы бесконечным. Ведь, чем меньше разность температур, тем медленнее происходит процесс теплообмена. Однако, из-за того. что тепло от зеркала также уходит в космос с инфракрасным излучением, зеркало может охладится даже ниже температуры окружающего воздуха. В этом случае мы обнаружим на его поверхности мелкие капельки росы или кристаллы инея.
   Но не только тепловые токи внутри трубы приводят к порче изображения. Объектив телескопа остывает неравномерно. Участки объема, расположены около поверхности довольно быстро теряют тепло, а участки в толще стекла еще долго остаются теплыми. Практически все твердые тела при охлаждении сжимаются. Степень сжатия определяется так называемым коэффициентом температурного расширения. Он выражается в доле, на которую изменяются размеры тела при изменении их температуры на один градус. У большинства материалов он измеряется в миллионных долях. Казалось бы, как такая малая величина может повлиять на качество оптики? Но если вспомнить, что оптика при толщине в сантиметр и более должна держать точность поверхности с точностью до долей микрона, это станет очевидно.
   Посмотрим на схему, где показаны тепловые токи. Легко заметить, что области близкие к краю остывают быстрее, поскольку тепло от них уходит не только через верхнюю и нижнюю грань, но еще и через боковую. Это приводит к тому, что по краю зеркало как бы сожмется сильнее, чем по всей остальной части. Для наблюдателя это проявится в виде завала края (эффект завал края или эффект Ричи).
Записан
Задокументировано наблюдение  >1500 Deepsky объектов.
ТАЛ75R, GSO 6" 1:4 +HEQ5Pro SynScan+Canon1000D+QHY6+фильтры R,V+Юпитер21М+QHY5, 265мм и 415 мм Добсоны HandMade+o3+hb+uhc+...
FAQ по любительской астрономии

tlgleonid

  • Клуб Астрополис, Модератор
  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 6618
  • Благодарностей: 404
Re: Остывание телескопа
« Ответ #2 : 31 Января 2012, 14:05:04 »
. - .

   Для борьбы с этим эффектом конструкторы телескопов пытаются подбирать специализированные материалы, которые бы свели его к нулю или хотя бы ограничили в пределах допустимого. Поиски материалов с низким коэффициентом линейного расширения привели к созданию целого ряда материалов, у которых эта величина либо намного меньше по сравнению с классическими стеклами (пирекс, легированный кварц), либо вообще практически нулевая (астрономический ситалл). Еще одна идея для борьбы с эффектом края основана на подборе материалов с высоким коэффициентом температуропроводности. В толще таких материалов градиент температур меньше и большие значения коэффициента линейного расширения уже не так страшны. К таким материалам относятся металлы и специальные керамики. На профессиональных обсерваториях и космических телескопах можно встретить алюминиевые и берилиевые зеркала, у которых покрытие нанесено на отполированное хромированное напыление. К сожалению, получить хорошую металлическую заготовку достаточно крупных размеров тяжело, к тому же такие зеркала чрезвычайно чувствительны к ударам и деформациям. Поэтому, в любительских телескопах такие зеркала практически не встречаются. Да и портится изображение из-за деформаций зеркала не так сильно, как из-за токов воздуха внутри трубы.
   Несложно понять, что небольшие рефракторы-ахроматы приходят в равновесие с окружающей средой наиболее быстро. Ведь их масса мала, а чем меньше тело, тем быстрее оно остывает. Внутри труб рефракторов отсутствует движение воздуха. Да и искажение формы линз в процессе остывания очень мало. Влияние эффекта края в одиночных линзах в 2/(n-1) раз меньше, чем в зеркалах. Поскольку показатель преломления n в среднем для линз равен 1.5, то искажения линз сказываются в 4 раза меньше, чем зеркал. На практике же у объектива ахромата это влияние намного меньше, поскольку положительная и отрицательная линза почти взаимно компенсируют искажения друг друга. Вот почему рефрактор почти всегда сразу же готов к работе. Некоторые проблемы могут возникать только у рефракторов-апохроматов, поскольку небольшие искажения формы и размеров линз приводят к изменению оптической схему и, так называемому, термохроматизму.
   Рефлектор же при выносе на мороз из теплого помещения готов не сразу. Как правило, телескоп системы Ньютона требует до 30 минут при разности температур в 20 градусов и диаметре объектива 150-200мм. 250мм телескопы могут потребовать уже до часа времени, а 12-14-дюймовые телескопы даже до двух часов. Стекла крупных добсонов, обычно, довольно толстые (5 сантиметров и более), в результате чего они полностью так и не остывают в необходимой мере, поскольку не успевают за падением ночной температуры. Именно поэтому широкое распространение получила идея изготовления больших и крупных зеркал, которые нередко имея худшее качество изготовления, дают изображения не хуже, поскольку остывают быстрее. Использование пирекса или ситалла не решает проблему, поскольку большая масса стекла очень медленно остывает и очень долго струит. Наиболее успешным средством для ускорения охлаждения больших зеркал стало применение 12-тивольтовых вентиляторов. Такие вентиляторы устанавливают чаще всего на тыльной стороне зеркал, встраивая из в оправу. Однако нередко используется два вентилятора над зеркалом. Нижний вентилятор втягивает холодный воздух, а верхний - вытягивает уже нагретый. Но и вентиляторы не являются панацеей из-за низкой теплопроводности стекла и даже при их помощи требуется для охлаждения немалое время.
   Наиболее страдают от разности температур менисковые телескопы: Шмидт-Кассегрены и  Максутов-Кассегрена. У них оптические элементы разнесены в пространстве, а для получения хороших изображений требуется хорошая согласованность формы поверхностей и расстояний между компонентами. Кроме всего прочего, главное зеркало у таких телескопов довольно тяжелое и толстое. Сравнительно массивным оказывается и мениск.  Неравномерность остывания трубы, мениска и главного зеркала приводит к появлению сложных токов воздуха. При этом теплый воздух не может беспрепятственно покинуть трубу, а холодный воздух - попасть в нее. Вот почему даже пятидюймовый МАК может потребовать для своего охлаждения два-три часа. Конечно, и в этом случае конструкторы пытаются бороться с плохой термостабилизацией менисковых телескопов, устанавливая вентиляторы в трубу, но и с ними процесс охлаждения довольно медленен.
   Если телескоп не остыл, то разные виды наблюдений страдают в разной степени. Менее всего заметны искажения изображения при наблюдении туманностей, галактик, скоплений. Они достаточно протяженны, наблюдаются при небольших увеличениях, а наблюдаемые перепады яркости по амплитуде весьма значительны. Компактные планетарные туманности, не смотря на свою диффузность, часто требуют для своих наблюдений больших увеличений и их трудно наблюдать с неостывшим телескопом. Планеты и Луна для успешных наблюдений нуждаются в полностью остывшей оптике. Хорошая температурная стабилизация важна и при наблюдениях двойных звезд. Из-за этого, можно рекомендовать в холодное время года при выносе телескопа из теплого помещения наблюдать сначала протяженные туманности, затем галактики и рассеянные скопления, потом галактики, скопления шаровые и планетарные туманности и лишь после полного охлаждения оптики - планеты и двойные звезды. Не менее важна термостабилизация для астрофотографии.
   С перепадами температур связано не только коробление оптики. При снижении температуры меняет свои размеры и форму не только оптика, но и все узлы телескопа. В некоторых случаях такие изменения влияют и на оптику. Рассмотрим лишь некоторые примеры.

Пример 1. Телескоп системы Ньютона вынесли на мороз. Он пришел в равновесие с окружающей средой, но таких качественных изображений, как в теплую погоду он не дает. Достатчно немного расфокусировать звезды, что бы они выявили треугольную природу. Откуда могут взяться треугольники? Оказывается, при охлаждении металлическая оправа уменьшает свои размеры заметно сильнее, чем стекло. Главное зеркало удерживают от выпадения три лапки. В теплую погоду между зеркалом и лапками существует температурный зазор, который с охлаждением уменьшается и при определенной температуре исчезает совсем. Когда температура снижается еще немного, лапки начинают деформировать зеркало и появляется астигматизм. В этом случае, необходимо лапки ослабить, что бы увеличить температурный зазор.

Пример 2. В том же телескопе системы Ньютона изображение на морозе некачественное, но все зазоры на главном зеркале еще не выбраны. Скорее всего, виновато вторичное зеркало. Оно может быть зажато в оправе, чрезмерно прижато лапками или приклеено все своей поверхностью к пауку. В этом случае, нужно, что бы зеркало на морозе не зажимало. Лучше всего, если оно будет приклеено при помощи силиконового герметика к пауку, причем слой герметика должен быть достаточно толстым (не менее миллиметра), а размер области, на которую нанесен клей - площадка до 2х2 сантиметра. При этом корпус или лапки будут только предохранять зеркало в случае возможного отклеивания.

Пример 3. Мы установили ПЗС-камеру на телескоп и запустили длительную съемку неба. Однако в процессе остывания звезды на снимках становятся все более и более пухлыми. Что же происходит? Труба, сделанная из металла, с понижением температуры достаточно заметно сокращается. Сокращение это с бытовой точки зрения мало, но для оптики - уже весьма существенно. Бороться с эти явлением очень сложно. Можно использовать трубы из титана (материал с очень малым коэффициентом температурного расширения), но они очень дороги и встречаются у любителей крайне редко. Чаще всего приходится в процессе остывания все-таки понемногу настраивать фокус.
   
   Можно привести еще много других, более редких влияний процесса снижения температуры на качество изображения, но со всеми из них можно или бороться, или принимать, как данность. Но в любом случае необходимость ждать, пока оптика остынет или сложности, связанными с охлаждением механики телескопа не должны быть препятствием, что бы отказываться от наблюдений в холодное время года.
Записан
Задокументировано наблюдение  >1500 Deepsky объектов.
ТАЛ75R, GSO 6" 1:4 +HEQ5Pro SynScan+Canon1000D+QHY6+фильтры R,V+Юпитер21М+QHY5, 265мм и 415 мм Добсоны HandMade+o3+hb+uhc+...
FAQ по любительской астрономии

Максим Валерьевич

  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 2
  • Благодарностей: 0
Re: Остывание телескопа
« Ответ #3 : 03 Января 2013, 13:02:17 »
. - .

Спасибо автору за очень информативный обзор. У меня один комментарий и вопрос. Все вышеописанные "метаморфозы" происходят с моим телескопом (SW 130650) каждый раз, как я выношу его из теплого помещения на морозную улицу. Неоднократно я проводил тесты и сравнивал предфокальные и зафокальные изображения, причем поначалу они меня даже напугали: картина напоминала недоисправленность апертуры. Но по мере остывания все приходит в норму и разницы в них практически нет. В первые полчаса можно лишь с большим трудом рассмотреть северную умеренную полосу на диске Юпитера (65Х). Позже все приходит в норму. К этому времени как раз коченеют пальцы на ногах ;) Потоки воздуха тоже сильно портят картинку. Звезды выглядят мерцающими и "пушистыми".
Теперь вопрос: все-таки резкий перепад температуры имеет негативные последствия для телескопа (рефлектора Ньютона, как в моем случае) и если имеет то какие и как этого избежать (кроме очевидных мер типа "охлаждать постепенно" или "ждать весны")? Спасибо.
Записан
SW 130/650 EQ2

tlgleonid

  • Клуб Астрополис, Модератор
  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 6618
  • Благодарностей: 404
Re: Остывание телескопа
« Ответ #4 : 29 Января 2013, 14:11:57 »
. - .

Резкое изменение температуры никгда не приводит ни к чему хорошему (может нарушится адгезия аллюминия к стеклу, что-то пережать и т.п.). Посему лить кипяток на зеркало в мороз не стоит. Сама же температура большого куска стекла резко изменится не может, посему естественное охлаждение и нагрев вреда не причиняют. Больше беды может быть от влаги после вноса остывшего зеркала в теплое помещение.
Записан
Задокументировано наблюдение  >1500 Deepsky объектов.
ТАЛ75R, GSO 6" 1:4 +HEQ5Pro SynScan+Canon1000D+QHY6+фильтры R,V+Юпитер21М+QHY5, 265мм и 415 мм Добсоны HandMade+o3+hb+uhc+...
FAQ по любительской астрономии

smitty0

  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 291
  • Благодарностей: 10
  • Кишинёв, Молдова
    • Moon-100
Re: Остывание телескопа
« Ответ #5 : 29 Января 2013, 16:41:50 »
. - .

Всю зиму держу телескоп (ШК) на балконе, не занося в дом, там разница температуры по сравнению с улицой около 10°. Когда есть небо, просто открываю окно балкона, и ставлю скоп в проём окна - остывает быстро, за полчаса-час.
Записан
Celestron C9.25 | CGEM | ASI178MC | ASI174MMcooled | QHY5L-IIm
http://Lunar100.tk/

Gulik

  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 816
  • Благодарностей: 271
  • Олег, Запорожье 066-3524-три\три\три
Re: Остывание телескопа
« Ответ #6 : 30 Января 2013, 03:23:44 »
. - .

30 минут маловато для остывания... много раз убеждался что 250-а нормально показывает через час при выносе из помещения с дельтой 4о
Это относится к планетам, по звездам\ДСО готов сразу.
« Последнее редактирование: 11 Февраля 2013, 04:09:16 от Gulik »
Записан

Максим Валерьевич

  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 2
  • Благодарностей: 0
Re: Остывание телескопа
« Ответ #7 : 30 Января 2013, 12:12:58 »
. - .

Спасибо за ответ. Самое, по-моему удачное решение в данной ситуации - предварительно постепенно охлаждать и так-же нагревать телескоп. Обычно я поступаю так: выношу скоп на балкон; позже открываю окно балкона и надеваю чехол (пожалуй, самая полезная деталь). Примерно через полтора часа оперативно выношу холодный зачехленный скоп на улицу. Практика показала, что без чехла не обойтись - быстрое нагревание в промежутке балкон-улица ни к чему хорошему не приводит.
И еще вопрос: мой приятель (по совместительству фотограф) пугает неким видом плесневидного грибка, который заводиться на влажной оптике и как следствие портит просветление и т.п. В принципе, это скорее бич фотографической оптики, а не  телескопов, в которых все открыто, но, может, кто-то с этим встречался на практике?
Записан
SW 130/650 EQ2

Огарков Сергей

  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 3175
  • Благодарностей: 87
  • Нравится просто смотреть на небо...
Re: Остывание телескопа
« Ответ #8 : 30 Января 2013, 14:09:22 »
. - .

Важно по возможности закрыть все отверстия перед заносом телескопа в помещение. Вентилятор также нужно закрыть плотно. И не открывать дома минимум 2 часа...
Записан
Инструменты - рефрактор 125/1080, "Мицар" на Еку-3-2, HEQ-5 Pro SynScan, МАК-127/1500, БПЦ20х60. "Кабан" 240/5,4 поле 48 мм (1/8лямбды) - ПРОДАЕТСЯ.
Бинокулярная терапия и хирургия.
Делаю БТР - трубы под 6" и 8" комплекты оптики. Токарно-фрезерные работы, анодирование.

Atlas

  • Оффлайн Оффлайн
  • Сообщений: 291
  • Благодарностей: 0
  • Just bend!
Re: Остывание телескопа
« Ответ #9 : 30 Января 2013, 22:24:22 »
. - .

Теплоизолировать трубу также совсем не помешает. ИМХО любой оптической системы.
Записан
Celestron NexStar 8 SE, bino, Panasonic GF5, QHY5T, Olympus 8x40