Проект БТА: исследование, состояние и перспективы

Л. И. Снежко

В 1980 году на телескоп было установлено новое главное зеркало. Появилась и необходимость систематического исследования всего комплекса БТА с целью реализации максимальной проницающей силы крупнейшего, в то время, телескопа. Многие положения технического задания к тому времени уже устарели, а количественные данные о качестве основных факторов, определяющих проницающую силу телескопа, не были систематизированы. Поэтому была поставлена задача исследования и модернизации телескопа БТА как уникального оптико-механического инструмента, как в плане заложенных в него технических решений, так и работы телескопа в реальных климатических условиях.

Астроклимат

Метеорологические и астроклиматические характеристики места установки БТА, полученные в результате экспедиционных исследований в начале 60-х годов, полностью подтвердились (В.Н. Ерохин, С.П. Пляскин). В таблице 1 приведены средние данные о наблюдательном времени на БТА за период 1984-1994 гг. Здесь мы определяем наблюдательное время как полное открытие купола в данную ночь, теоретически возможное время определяется длительностью астрономической ночи. Можно видеть, что в последнее десятилетие среднегодовой бюджет наблюдательного времени на БТА составил 1653 ± 215 часов или 42 ± 6% от теоретически возможного годового бюджета. Фактическое наблюдательное время несколько меньше, поскольку щель купола открывают заранее, до полного установления наблюдательных условий.

Из данных табл.1 видно, что помесячный вклад в годовой бюджет наблюдательного времени распределен равномерно, и только слабый максимум намечается в сентябре - октябре. Большие значения среднеквадратичных отклонений показывают малую надежность прогноза наблюдательного времени на любой месяц или сезон года.

Для планирования наблюдательных программ и обсуждения проблем внутреннего астроклимата башни представляет интерес распределение наблюдательного времени на короткой шкале. Считая полной ту наблюдательную ночь, длительность открытия купола в которую превышала половину астрономической ночи, мы разбили наблюдательный сезон август 1992 г. апрель 1993 г. на наблюдательные сеты (купол ночью открыт) и ненаблюдательные (купол закрыт), получив выборки из 42-х значений длительности сетов. Распределение этих выборок приведено в табл.2. Данные табл.2 показывают, что наиболее вероятны короткие сеты наблюдений, распределение длительности ненаблюдательных сетов более равномерное.

Среднее значение длительности полного сета - наблюдательного плюс ненаблюдательного - составляет 6 ± 3 суток, из них 2.5 ± 2 будут наблюдательными, в течение 3.5 ± 2.5 суток купол будет закрыт, а длительность наблюдательного сета при этом с вероятностью 80% не превысит 3-х суток. В целом, по современным требованиям к основному параметру астроклимата - бюджету наблюдательного времени и его распределению - место установки БТА не может быть признано хорошим не только для установки крупного телескопа, но и телескопов умеренных размеров.

Серьезная проблема проекта БТА - борьба с температурными неоднородностями в подкупольном пространстве, определяемыми изменениями температуры наружного воздуха при большом объеме и тепловой инерции подкупольного пространства. Штатная система тепловой защиты БТА включала в себя следующие элементы:

· двойные теплоизоляционные стенки купола для защиты подкупольного пространства от инсоляции, систему охлаждения пола для отсечки диффузии тепла из внутренних помещений башни;

· вентиляционную систему искусственного климата для создания в изолированном подкупольном пространстве температурных условий предстоящей ночи.

Очевидно, что эта система теплозащиты основывалась на предположении о медленных изменениях ночной температуры и ограниченности внутренних источников тепла. Однако уже в приемных испытаниях 1974 г. штатная система показала полную неработоспособность:

· залитые в керамзитобетон трубопроводы охлаждения пола работали как генераторы температурных неоднородностей, а в зимнее время покрывались снеговой шубой;

· мощность холодильных машин оказалась недостаточной для регулирования температуры в подкупольном пространстве как из - за неожиданных для разработчиков больших суточных перепадов ночной температуры наружного воздуха, так и из - за больших потерь холода в вентиляционных каналах.

Рабочая группа "Астроклимат" после многолетних безуспешных попыток использовать штатную систему вентиляции пришла к выводу о необходимости использования наружного воздуха для выравнивания температур в подкупольном пространстве (Ерохин, 1984).

Чтобы проиллюстрировать реальные трудности решения проблемы теплозащиты БТА, на рис.1 показаны значения ночной (в 0^h местного времени) температуры наружного воздуха в сезоны ноябрь 1990 г. - март 1991 г. и август 1992 г. - апрель 1993 г. Там же приведены сезонные тренды ночной температуры, полученные методом скользящего среднего. На рис.2 приведены вариации ночной температуры относительно сезонных трендов. Анализ этих данных показывает, что в месте установки БТА только в 35% случаев суточный перепад ночной температуры Dt £ 2°, тогда как в 20% случаев этот перепад Dt ³ 4°.

Таблица 1: Наблюдательное время на БТА в 1984 – 1994 гг.

Месяц года	Теоретическое наблюдательное время (час)	Наблюдательное время БТА (час)	Время в единицах теоретич.	Вклад в годовой бюджет
1	424	130±38	0.31±0.09	0.08
2	358	141±53	0.39±0.15	0.09
3	343	146±44	0.42±0.13	0.09
4	282	122±36	0.43±0.13	0.07
5	249	112±31	0.45±0.12	0.07
6	219	99±25	0.45±0.11	0.06
7	235	110±25	0.47±0.11	0.07
8	276	146±35	0.53±0.13	0.09
9	313	174±31	0.56±0.10	0.11
10	370	187±51	0.51±0.14	0.11
11	398	129±57	0.32±0.14	0.08
12	433	149±71	0.34±0.16	0.09
Среднее за год	3900 час	1653±215 час	0.42±0.06	1.00

Таблица 2: Распределение длительности наблюдательных и ненаблюдательных сетов

1992 – 1993 гг.

Длительность сета в сутках	Частота
	Наблюдательный сет	Ненаблюдательный сет
1	0.43	0.24
2	0.26	0.21
3	0.10	0.21
4	0.04	0.14
5	0.04	0.05
(6-9)	0.10	0.08
(9-12)	0	0.08

Периодограмма (спектр мощности) короткопериодической составляющей вариаций ночной температуры относительно сезонного тренда для обоих сезонов имеет вид узкополосного шума с центральной частотой ên ê = 0.1 обратных суток и шириной Δn ≈ 0.05. Таким образом, в вариациях ночной температуры постоянно присутствует синусоидальная составляющая с периодом ≈ 10 суток и амплитудой ≈ 5°. Именно эта быстрая переменность ночной температуры (за 1/4 периода основной составляющей, т.е. за ≈ 3 суток, наружная температура меняется на ≈ 5°) определяет трудности решения проблем теплозащиты БТА.

Выполненные в 1984 - 1985 гг. исследования ранжировали возможные источники поступления тепла в подкупольное пространство. Оказалось, что основным источником тепловыделения является система маслопитания телескопа мощностью ³ 1000 ккал/час - нагрев масла при прохождении нагнетающих насосов и гидростатических опор с последующим охлаждением при стекании в маслосборники. Выделяющейся тепло переносится в подкупольное пространство теплопроводностью металлических конструкций телескопа, но главным образом работает механизм тепловой печи - холодный воздух из подкупольного пространства засасывается в помещение масляных опор через щели опорно-поворотной платформы, а нагретый воздух в подкупольное пространство через «трубы» лифтов и стоек телескопа. Вторым по мощности источником тепла оказалось прямое поступление нагретого конструкциями фундамента и башни воздуха через каналы неработающей штатной системы искусственного климата. На рис.3 показан температурный режим в подкупольном пространстве, полученный при испытаниях 17.03.83 г. новой системы вентиляции.

В 21 час был закрыт купол и выключена вентиляция, сразу же началось повышение температуры воздуха в подкупольном пространстве со скоростью 1.4 град/час. В 23 часа была включена вентиляция, в течение следующего часа температура подкупольного воздуха снизилась на 1.8°, затем скорость снижения температуры резко уменьшилась. Этот пример иллюстрирует малую инерционность и большую мощность источников нагрева воздуха в подкупольном пространстве. Для объяснения данных на рис.3 достаточно двух указанных выше механизмов нагрева, на их фоне остальные источники нагрева (другие пути поступления воздуха из помещений башни, теплопроводность, аппаратура и т.д.) оказались второстепенными. Естественная вентиляция при решении проблем БТА может играть только вспомогательную роль – из-за погодных условий купол нельзя открывать в 60% календарного времени, в наиболее важный осенне-зимний сезон возможности открытия купола сокращаются из - за вредных эффектов инсоляции. Поэтому была принята концепция непрерывной принудительной вентиляции подкупольного пространства наружным воздухом. Задача реализации этой концепции была решена силами сектора эксплуатации БТА (Маметьев Ю.М., Притыченко А.М., Ерохин В.Н. и др.)

Рис. 1: Ночная температура атмосферы в сезоны: вверху - 1.10.1990 г- 30.3.1991 г., внизу - 1.8.1992 г – 14.4. 1993 г. Сплошные кривые показывают сезонный тренд, полученный методом скользящего среднего.

Рис. 2: Вариации ночной температуры относительно сезонных трендов (рис 1)

В действующей сейчас системе вентиляции все каналы штатной системы искусственного климата работают на вытяжку воздуха из подкупольного пространства. Забор наружного воздуха происходит главным образом через вскрытое в кармане забрала окно площадью 12м², что позволяет не выключать вентиляцию даже при осадках. Дополнительный вытяжной канал вентиляции межпанельного пространства купола через окна в его верхней части перемешивает воздух в подкупольном пространстве и предупреждает накопление теплого воздуха в верхней его части. Другой канал вытяжной вентиляции через цех алюминирования охлаждает помещение гидростатических опор. Система вентиляции работает автоматически по управляющим сигналам датчиков температуры, при этом:

· минимизирует разницу температур воздуха вне и внутри купола;

· отсекает поток тепла, идущий через пол из помещений башни;

· минимизирует поступление теплого воздуха по каналам штатной системы искусственного климата.

Мощность основного источника тепловыделения была уменьшена вдвое созданием двухбаковой системы маслопитания и использованием сезонных масел, что позволило уменьшить рабочую температуру масла на 10°.

Аттестация системы теплозащиты и вентиляции была выполнена при помощи тепловизорных измерений, показавших следующее:

· купол эффективно защищает телескоп от инсоляции;

· внутри купола, включая верхнюю его часть, температура распределена однородно, в пределах чувствительности метода обнаруживается только нагрев на 0.2° кабины первичного фокуса наблюдательной аппаратурой;

· отчетливо выявляется основной источник тепловыделения – система маслопитания - высокой температурой маслопроводов, а также повышенной на » 1° температурой опорно-поворотного круга и мест выхода теплого воздуха из помещения гидростатических опор.

Рис.3: Реакция температур подкупольного пространства и зеркала на режим вентиляции. В 21^h был закрыт купол и выключена вентиляция, в 23^h вентиляция включена.

Рис. 4: Гистограммы значений ночных разностей температур снаружи и внутри купола (вверху сезон 90/91 г., внизу – сезон 92/93 г)

Достигнутый уровень эффективности работы системы принудительной вентиляции иллюстрируют данные рис.4, где приведены гистограммы значений ночной разности температур внутри и вне купола для осенне-зимних сезонов 1990/91 и 1992/93 годов. Считая положительным фактором, отрицательные значения разности температур воздуха внутри купола и наружного, получаем следующее распределение ночных значений Dt:

· в 40% случаев Dt £ 0°,

· в 60% случаев Dt £ 2°,

· в 70% случаев Dt £ 3°.

Эти оценки практически не меняются для подвыборок ночей с закрытым и открытым куполом, что показывает вспомогательную роль естественной вентиляции в регулировании температуры в подкупольном пространстве. В то же время в 25% случаев значения Dt ³ 3°, а
в ≈ 3% случаев Dt ³10°, что приводит к полной деградации изображений. Объяснение этому мы находим в быстрых вариациях температуры наружного воздуха и возрастании поступления тепла в подкупольное пространство при понижении его температуры. Данные рис. 1 и 2 показывают, что в 20% случаев суточный перепад наружной температуры превышает 4°. Температура фундамента и подвальных помещений башни всегда не ниже среднегодовой температуры + 4°. В рабочих и жилых помещениях башни вынужденно поддерживается температура не ниже + 16°. Рис. 5 иллюстрирует реакцию температуры подкупольного пространства на тепловой удар 14 января 1991 г., когда температура наружного воздуха упала на 12° за сутки. С отставанием на »12 часов начала понижаться температура воздуха в подкупольном пространстве со скоростью » 6 град/сутки, но уже на вторые сутки скорость охлаждения снизилась до » 2 град/сутки, затем охлаждение прекратилось - поступление холода снаружи и тепла из помещений башни уравнялось.

Рис. 5: Ночные температуры зеркала и воздуха снаружи и внутри купола в период теплового удара 9.1.-24.1.1991 г.

Температура поверхности зеркала начала понижаться с отставанием на » 2.5 суток со скоростью » 2 град/сутки. 20 января температура выровнялась в результате повышения наружной температуры на 5°.До 14 января разность температур подкупольного пространства и внутренних помещений башни составляла Dt » 15°, при этом вентиляция предупреждала накопление тепла в подкупольном пространстве. В минимуме температуры воздуха подкупольного пространства разность Dt уже составляла » 24°, т.е. скорость воздушных потоков из внутренних помещений возросла в 1.5 раза, а вносимый ими избыток тепла возрос в 2.5 раза. Таким образом, при понижении температуры подкупольного пространства эффективность вентиляции в зимний период падает, так как ее энергия все более затрачивается на охлаждение внутренних помещений башни.

Приведенные выше данные характеризуют возможности управления температурой подкупольного пространства. Очевидно, что эти возможности практически исчерпаны, и дальнейший прогресс здесь возможен только при кардинальной модернизации системы маслопитания и удалении из башни всех рабочих и жилых мест.

Перепад температур вне и внутри купола приводит к микрофлуктуациям температуры, которые определяют деградацию изображений. Гартманофильм, снятый с частотой 20 кадров/сек при "горячем" подкупольном пространстве, показывает величину и характер возмущений волнового фронта всем трактом - оптикой и атмосферой. Результаты обработки выборки из 16-ти последовательных кадров фильма дали значение мгновенной концентрации энергии в изображении d_0.85 = (3.40 ± 0.22) угл. секунд. Исключение всех аберраций Зайделя дает значение d_0.85 = (3.09 ± 0.23) угл. сек, т.е. практически не улучшает изображения. Среднеквадратичная вариация фокусного расстояния составила всего ±0.13 мм. Таким образом, деградация изображения определяется не низкочастотными уклонениями волнового фронта, включая аберрации Зайделя. Дисперсионный анализ показал, что для высокочастотных уклонений в волновом фронт радиус корреляции меньше 200 мм - предела разрешения диафрагмы Гартмана. Измерениями микрофлуктуаций температуры по всему объему подкупольного пространства установлено, что максимум микрофлуктуаций сосредоточен между верхним кольцом телескопа и щелью купола. Исследование этого явления образования фазового экрана во входном зрачке телескопа продолжается, предстоит оценить вклад воздуха, стекающего с переохлажденной в ночное время внешней поверхности купола. Проблемы главного зеркала БТА обсуждаются в следующем разделе.

Оптика телескопа

В 1972 - 1974 гг. сотрудники обсерватории Э.А. Витриченко, Ю.П. Коровяковский, А.Ф. Фоменко и другие приняли активное участие в разработке количественных методов контроля и аттестационных исследованиях главного зеркала БТА. В 1975- 1978 гг. коллективом НПО "Оптика" и ПО "Рубин" в ходе экспериментальных работ было изготовлено второе 6-м зеркало. Интенсивные исследования первого зеркала на телескопе обосновали необходимость замены зеркал, которая была осуществлена в 1979 г. Поскольку диски зеркал идентичны, мы их не различаем при обсуждении механических и тепловых проблем главного зеркала БТА.

Заданное при изготовлении качество поверхности главного зеркала характеризуют данные цеховой аттестации (здесь и далее d_q - диаметр кружка рассеяния, содержащего долю энергии q): -d_{0.5 =} 0.4 угл. сек., d_0.9 = 0.8 угл. сек. Вопрос о сохранении этих характеристик при изменении положений зеркала особенно остро стоял при принятии решения о замене зеркал. Многократные эксперименты в цеховых условиях не обнаружили весовых деформаций поверхности как в низкочастотной области (безкомпенсационный метод Гартмана), так и в высокочастотной (интерференционные методы контроля). Аттестационный тест, выполненный методом Гартмана на телескопе, показал, что при изменении зенитного расстояния Z от 0 до 70˚ концентрация энергии в изображении практически не изменяется, обнаруживается только поворот оси астигматизма при сохранении амплитуды (Снежко, 1980). Положение плоскости главного зеркала определяется тремя фиксирующими опорами и центральным штырем, этим задается положение оптической оси. Прямые измерения качания зеркала в оправе показали, что при эволюциях трубы телескопа оптическая ось изменяет положение в азимутальном направлении с амплитудой ≈ 6″ и гистерезисом в пределах 2″, тогда как наклоны в плоскости вертикала и радиальные смещения зеркала лежат в пределах ошибок измерений. Такое характерное качание зеркала в оправе определяется тем, что при юстировке механизмов разгрузки принималось однородное распределение плотности в диске зеркала, тогда как в реальном зеркале имеются вариации плотности до 10%. Малый, но обнаружимый гистерезис качания зеркала определяется, скорее всего, трением и люфтами в механизмах разгрузки. Выполненный в 1985 - 1986 гг. контроль положения зеркала в оправе показал как стабильность положения оптической оси при Z = 0 в пределах ±1.5″, так и постоянство параметров качания зеркала, что подтверждено и многолетним анализом полей ошибок наведения. Нет принципиальных трудностей в переюстировке механизмов разгрузки под реальное распределение веса дисках зеркала. Однако эта процедура включает трудоемкую методику контроля формы поверхности методом Гартмана, что трудно осуществить на действующем телескопе. Поскольку остаточная нестабильность положения главного зеркала лежит в пределах юстировочных допусков и достаточно полно устраняется при коррекции ошибок наведения, мы отказались от выполнения этой процедуры. В целом заключаем, что в проекте БТА успешно решена проблема разгрузки и фиксирования 6-м зеркала весом в 42 тонны.

Оптическая схема первичного фокуса БТА кроме параболического главного зеркала содержит двухлинзовый корректор, исправляющий кому и сферическую аберрацию, так что диаметр поля 10′ ограничен полевым астигматизмом. Выполненная в 1982 - 1984 гг. количественная юстировка оптики телескопа с применением метода Гартмана не только свела к минимуму наклоны и коллимационные ошибки, но и позволила выявить и устранить дефект изготовления одной из фиксирующих опор, вызывавший нестабильность положения главного зеркала. В настоящее время качество создаваемого оптикой, в первичном фокусе БТА, изображения определяется только качеством поверхности главного зеркала и расчетными аберрациями корректора.

Проблема тепловых деформаций больших зеркал известна со времен 5-метрового телескопа. К ней нужно добавить проблему турбулизации воздуха в оптическом тракте над инерционным массивным зеркалом при изменениях наружной температуры. Обе эти проблемы очень остры для БТА, в месте установки которого, колебания температуры содержат составляющие с амплитудой до 5º и с характерными временами 3 - 5 суток. На рис.6 показаны вариации температуры поверхности зеркала и сезонный тренд температуры атмосферы, а также кросскорреляционная функция этих процессов. Можно видеть, что со сдвигом 3 суток температура зеркала повторяет сезонный тренд с коэффициентом корреляции 0.95. Эта же оценка характерного времени реакции зеркала на изменения наружной температуры следует и из представленной на рис.5 картины теплового удара, что полностью согласуется с оценкой значения числа Фурье 3 суток, следующей из физических характеристик стекла и диска зеркала.

При такой инерционности и быстрых изменениях наружной температуры в диске зеркала постоянно развиваются градиенты температуры, искажающие форму поверхности. В табл.3 приведены данные, характеризующие реакцию главного зеркала БТА на тепловой удар, во время которого зеркало принудительно охлаждалось системой вентиляции его оправы (здесь и далее А_ik - амплитуды аберраций Зайделя в волновом фронте, ошибки получены из усреднения данных обработки не менее 3-х гартманограмм).

Вслед за падением температуры на 11º сильно деградировало изображение - кружок рассеяния возрос в ≈ 1.5 раза. В деградации волнового фронта обнаруживается не только возрастание амплитуды A₄₀ сферической аберрации (эффект края), но и развитие комы и астигматизма, т.е. неосесимметричных аберраций. Последнее обстоятельство представляет главную опасность при попытках активного охлаждения диска зеркала - возможно сложение тепловых напряжений с остаточными напряжениями в диске с угрозой его разрушения. В приведенном примере скорость охлаждения двое суток поддерживалась на уровне ≈ 2 град/сутки. Оценку уровня развивающихся при этом механических напряжений можно получить из сравнения с приведенными в табл.4 искажениями поверхности, возникшими при отключении одной фиксирующей опоры 04-19.05.84 г.

Сравнение показывает, что развивающиеся при тепловом ударе деформации поверхности зеркала по величине сравнимы с таковыми при отключении фиксирующей опоры, т.е. при точечной механической нагрузке 700 кг. Таким образом, наложенное ограничение скорости охлаждения главного зеркала значением 2 град/сутки является оправданным, при больших скоростях возникает угроза целостности диска зеркала. Скорость охлаждения 2 град/сутки достигается при разности Δt > 10º, поэтому при Δt > 10º запрещено открывать купол. Потери по этой причине не превышают 5% годового бюджета наблюдательного времени, и поскольку они определяются в основном большими и быстрыми вариациями ночной температуры в выбранном месте установки БТА, то их следует отнести к естественным потерям, вызванным облачностью, осадками, ветром и т.д.

Рис. 6: Вверху – кросскорреляционная функция этих процессов. Внизу – температура главного зеркала и тренд ночной температуры в 1992-1993 гг.

По данным табл. 3 предельная деградация изображения во время тепловых ударов составляет d_0.85≈ 1.52″. Длительность периодов тепловых ударов составляет 4 - 5 суток, после чего качество изображения восстанавливается. Вне периодов тепловых ударов качество изображения, создаваемого оптикой БТА, составляет d_{0.9 =} (1.1 ± 0.16) угл. сек (из выборки результатов гартмановских тестов в 1985 - 1986 гг.).

Резкая перемена наружной температуры и большая тепловая инерция стеклянного диска главного зеркала не дают возможности бороться с развитием градиентов температуры в толще диска. И поскольку дефокусировка легко устраняется при оснащении всех фокусов БТА телевизионными подсмотрами, мы отказались от активного применения асимметричной системы вентиляции оправы главного зеркала, усиливающей развитие аберраций и «замораживающей» их в короткие периоды тепловых ударов.

В целом, проблемы тепловых деформаций поверхности и целостности диска зеркала создают дополнительные ограничения на возможность регулирования температуры в подкупольном пространстве. В 1984 - 1985 гг. при участии Б.К. Иоаннисиани был проработан проект изготовления для БТА ситаллового главного зеркала. Выполненные в ЛОМО расчеты показали, что для штатной системы разгрузки без потери точности можно уменьшить толщину диска зеркала с 65 см до 40 см, чем облегчается проблема ситаллизации и уменьшается тепловая инерция диска. ПО "Рубин" имеет возможность, как изготовить требуемый ситалловый диск, так и современную технологию формообразования оптической поверхности. Однако до сих пор задача замены главного зеркала БТА на ситалловое не решена только из - за финансовых трудностей.

Таблица 3: Результаты исследования 6-м зеркала методом Гартмана в период теплового удара (t_н,з – соответственно, температура наружная и температура зеркала)

Дата	08.06.84	09.06.84	10.06.84	12.06.84	16.06.84
tн	13.0	15.5	4.0	4.5	7.5
tз	12.0	12.0	12.0	9.0	8.0
d0.85	0.87״±0.2	-	1.47	1.52	0.89±0.1
A40	0.1 мкм. ± 0.3	-	4.7	6.4	0.9 ± 0.4
A31	1.1 мкм. ± 0.5	-	3.4	7.7	2.0 ± 0.2
A22	1.5 мкм. ± 0.6	-	5.0	2.2	1.3 ± 0.6

Таблица 4: Деформации поверхности главного зеркала при отключении одной фиксирующей опоры

Дата	d0.85 (″)	A40 (мкм)	A31 (мкм)	A22 (мкм)
07.05.84	1.45±0.06	0.89±0.11	6.87±0.11	4.14±0.27
11.05.84	1.56±0.11	5.36±0.76	5.36±0.17	5.30±1.30
12.05.84	1.43±0.02	5.56±0.34	5.47±0.35	2.05±0.35

Выполнение работ по нанесению нового отражающего слоя была возложена на ЛОМО. Однако к 1985 году стало очевидным недостаточность такой формы организации разовых операций по переалюминированию оптики БТА. Была поставлена задача по освоению подготовки вакуумной установки алюминирования зеркала (ВУАЗ), операций по чистке и подготовке оптики БТА к переалюминированию силами сотрудников СЭК БТА. В результате чего повысилось качество подготовки камеры ВУАЗ, улучшилась плотность и адгезия нового покрытия оптики БТА.

В это же время была обнаружена и зафиксирована в актах неоднородность полированного слоя ГЗ БТА. Этому не было предано необходимого внимания, прежде всего из-за ожидания нового, ситалового зеркала. Но уже в 1990 году было отмечено развитие "пятнистости" скрывавшейся после нанесения алюминиевого слоя. Возникла необходимость количественного контроля качества отражения главного зеркала БТА, исследования пылевого загрязнения поверхности с целью сокращения числа операций по очистке поверхности зеркала для увеличения периода между переалюминированиями.

В 1995 году обнаружилось развитие процесса разрушения полированного слоя, которое уже не скрывалось отражающим покрытием.

Проведенный анализ показал, что основной причиной разрушения полированного слоя оказалась химическая неустойчивость стекла 316 к кислотному воздействию, включенному ЛОМО в процедуру очистки поверхности.

В основу 316 стекла было положено стекло ЛК-5, которое обладает крайней неустойчивостью к кислотному воздействию. Включение в технологический процесс алюминирования ГЗ БТА процесса нейтрализации щелочи раствором азотной кислоты и привело к разрушению полированного слоя. Было принято решение исключить из технологического процесса кислотные компоненты, поскольку к щелочному воздействию зеркало весьма устойчиво. По результатам исследования запыленности в месте установки БТА, разработана технология щадящей чистки поверхности зеркала. Принятые меры позволили увеличить срок эксплуатации отражающего покрытия с 5 до 10 лет.

Попытка разработать методику восстановления полированного слоя прямо на телескопе не удалась. Возникла необходимость полной переполировки всей поверхности зеркала.

В настоящее время заключен договор с ОАО «ЛЗОС» на изготовление нового зеркала БТА с использованием, в качестве заготовки, первого зеркала.

Наведение и ведение БТА

В проектном задании на телескоп БТА были заложены следующие требования на точностные характеристики автоматической системы управления БТА (АСУ БТА): точность наведения не хуже ± 20" фокальной плоскости, накопленная ошибка ведения не должна превышать 5" за 10 мин экспозиции. Столь слабые требования просто отражали трудность задач, стоявших перед группой разработчиков АСУ БТА (рук. Е.М. Неплохов). Для программного управления телескопом «была принята однодвигательная комбинированная система со связями по управляющему воздействию и астатизмом второго порядка» (сборник под редакцией Торочкова 1976; Найшуль, Неплохов, 1966). Программному управлению отводилась роль «грубого ведения», точное слежение с ошибкой не более 0.2" предполагалось возложить на систему фотоэлектрической автоматической коррекции. Однако идея фото и телегидирования, в которой датчики координат были установлены на отдельном телескопе - гиде, оказалась полностью неработоспособной как из-за низкой проницающей силы, так и из-за невозможности учесть и исключить с необходимой точностью дифференциальные гнутия и эффекты вращения полей. Достаточно успешно работал лишь местный фотогид Основного звездного спектрографа, на котором наблюдались яркие объекты. В результате программное управление стало основным режимом точного слежения, для чего к 1984 г. разрешение датчиков обратной связи по положению было доведено до 0.15" и оптимизированы гладкость и устойчивость управления. Здесь нужно отметить, что уникальность задачи управления телескопом определяется не массой и размерами его, а необходимостью обеспечить предельные точностные характеристики при работе объекта управления в условиях атмосферы, когда внешние возмущения по величине сравнимы с управляющими воздействиями.

Теория альтазимутальной монтировки изложена в работах Н.Н. Михельсона (1966,1970), классификация ошибок и их описание для БТА даны в работах создателей штатной АСУ БТА (Виленчик и др., 1972). Прямые измерения ошибок геометрии телескопа были выполнены В.Я.Вайнбергом и обобщены в его диссертации (Вайнберг, 1985). Исследование полей ошибок наведения БТА показало высокое качество изготовления всех механизмов и узлов, определяющих эту характеристику телескопа. В анализ полей ошибок наведения мы включили следующие составляющие:

· неперпендикулярность горизонтальной и вертикальной осей;

· неперпендикулярность горизонтальной и визирной осей телескопа (коллимационная ошибка);

· ошибки нуль - пунктов угловых датчиков положения;

· гнутие трубы телескопа;

· ошибки часового угла;

· ошибки наклона вертикальной оси телескопа.

Нужно отметить, что составляющие названы скорее по традиции, так как каждая из них является суммой нескольких независимых эффектов. Модальное представление соответствующих условных уравнений, а не разложение по ортогональным функциям, вызывает плохую определенность соответствующей системы нормальных уравнений. В результате не удается без дополнительного анализа определить каждый параметр в отдельности ввиду возникающей линейной зависимости в решении, соответствующем данной выборке поля ошибок наведения.

Суммируя результаты анализа полей ошибок наведения в 1984 - 1994 гг., получаем следующие основные заключения о реализованной стабильности монтировки и оптики БТА.

· Азимутальная составляющая Δγ = ΔA sinZ ошибок наведения стабильно воспроизводится на протяжении 10-ти лет. Исключение ее программным путем с одной и той же системой параметров дает остаточный кружок рассеяния с размахом ± 5" и среднеквадратичным уклонением σ ≤ 3" (с исключением ошибки часового угла).

· Составляющая ΔZ ошибок наведения также сохраняет свой вид на протяжении 10-ти лет, исключение ее с одной и той же системой параметров дает остаточный кружок рассеяния с размахом ± 8" и σ ≤ 5" (с исключением ошибки часового угла).

· Гнутия трубы описываются выражением вида d · sinZ + d1 · cosZ. Если первый член обычен для трубы Серюрье, то второй вызывается смещениями подвески червяка передачи Z.

· Если в наведении по А система БТА стабильна, то в ошибке наведения по Z присутствует случайный сдвиг нуль - пункта в пределах 10" на всех временных интервалах. Вероятный источник этой нестабильности - упругие люфты в механизме автоматической балансировки и остаточный дебаланс трубы.

· Накопленные ошибки угловых датчиков положения не обнаруживаются в полях ошибок на ведения. Точность абсолютных угловых датчиков достаточна для задач наведения.

· Эффект качания зеркала в оправе суммируется с эффектами наклона осей и отдельно не проявляется. Гистерезис качания зеркала проявляется в полях ошибок наведения с размахом ± 1". Малый суммарный размах ошибок наведения, не устраняемых учетом ошибок геометрии телескопа, позволил применить на БТА чисто программный алгоритм исключения ошибок наведения. Этот программный алгоритм, дополненный простыми наблюдательными процедурами, позволяет достичь следующих точностных характеристик наведения БТА.

· Использование одной и той же системы параметров для данного фокуса уже обеспечивает на протяжении ряда лет среднеквадратичную ошибку наведения по обеим координатам σ ≤ 3" с размахом меньше ± 6".

· Уточнение/определение ошибки часового угла и ошибок нуль – пунктов наблюдений двух пар звезд на равных высотах в меридиане и в 1 - ом вертикале приводит к снижению значений ошибок наведения до ≤ 2.5" с размахом меньше ± 5" на протяжении нескольких дней (недель).

· Для достижения точности наведения σ ≤ 1.5" с размахом менее ± 3" необходимо для данной ночи получить минимальное поле ошибок наведения (4 - 5 точек для 5º < Z < 70º в двух вертикалах) и переопределить всю систему параметров для данного фокуса БТА.

Для иллюстрации вышесказанного на рис.7 приведены поля ошибок наведения, полученные 17.10.1994 г. в фокусе Нэсмит - 2. Можно видеть близкое к теоретически ожидаемому поведение ошибок при не исключенных ошибках геометрии телескопа. Исключение ошибок геометрии «средней» системой параметров свело остаточные ошибки наведения к значению
σ ≈ 3" с размахом ± 5". Переопределение системы параметров для данной ночи свело ошибки наведения к значению σ ≈ 1" с размахом ± 2".

В целом можно сказать, что высокое качество решений и изготовления основных узлов монтировки (кроме узла автоматической балансировки трубы) позволили решить проблему точности наведения БТА.

В 1975-1985 гг. наличие не устраненных ошибок геометрии телескопа приводило к необходимости непрерывной ручной коррекции наблюдателем процесса ведения. Коррекция ведения выполняет процедуру компенсации ошибок геометрии, а также компенсирует вращение поля при наблюдениях фактически внеосевого объекта. Очевидна нежелательность этой процедуры, поскольку в этом случае АСУ БТА работает в режиме переходных процессов с возбуждением всего спектра колебаний. Программное исключение ошибок геометрии резко улучшило качество ведения телескопа, устранив тренды в ошибках ведения. При этом процедура обратного пересчета координат приобрела физический смысл действительного устранения ошибок задания экваториальных координат объекта, достигающих на практике для слабых объектов десятков угловых секунд. Сейчас накопленная коррекция для всех фокусов БТА не превышает 0.3″ за 20 минут экспозиции.

Наличие высокочастотных ошибок ведения постоянно отмечалось наблюдателями, однако в 1975 – 1985 гг. эта составляющая маскировалась непрерывной ручной коррекцией. Первые же количественные определения качества ведения из наблюдений методами спеклинтерферометрии показали наличие в спектре ошибок ведения составляющей с частотой ≈ 1 Гц и амплитудой до 0.5″ (Балега и др., 1990). Для исследования качества ведения в широком частотном интервале в 1991 – 1992 гг. был применен цифровой телегид ОЗСП БТА. Уже первые записи показали наличие составляющих в интервале частот 0.1-1.0 Гц, причем за 15 сек. экспозиции центр изображения создает кружок рассеяния диаметром ≈ 1″. На рис. 8а, б приведен пример записи ведения БТА при ветре ≤ 2м/сек. Последовательно показаны исходный ряд, трендовая и высокочастотная составляющие и их спектры мощности (время дано в единицах 0.1 сек, амплитуды - в единицах 0.1″, частоты - в единицах 10 Гц).

Можно видеть, что в спектре доминирует высокочастотная составляющая с ν ≈ 0.1 Гц и амплитудой 0.5″. В высокочастотной составляющей ошибок ведения по обеим координатам доминирует компонента с ν ≈ 0.9 Гц и амплитудой ≈ 0.2″. Количественный анализ записей ведения БТА, полученных с цифровым телегидом, позволил сделать следующие выводы.

· В ошибках программного ведения БТА постоянно присутствует составляющая с ν ≈ 0.1 Гц и амплитудой ≈ 0.5″.

· В высокочастотной части ошибок ведения присутствует простой набор частот ν1 ≈ 0.4-0.5 Гц, ν2 ≈ 0.6-0.7 Гц и ν3 ≈ 0.8-0.9 Гц колебаний по осям γ и z.

· Качество ведения БТА резко ухудшается при наличии внешних возмущений, амплитуды всех составляющих возрастают в 2-3 раза при скорости ветра > 2м/сек. При ветре ≈ 10 м/сек наблюдаются уже отскоки звезды на 15″ с медленным возвращением в центр (потеря управления).

Рис. 7: Поля ошибок наведения Δ γ и Δ Z в фокусе Нэсмит-2 17.10.1994 г. Сверху вниз: - без коррекции ошибок геометрии телескопа, - со «средней» системой параметров коррекции, - с системой параметров коррекции для данной ночи.

Для исследования динамических характеристик телескопа и системы управления БТА в 1990-1991 гг. был выполнен цикл работ, опирающихся на разработанные сотрудниками Центрального научно-исследовательского института точной механики средства и методы измерения колебаний (датчики линейных и угловых скоростей и ускорений, оптический пеленгатор). Возмущения задавались как импульсные воздействия системы управления, так и механическими воздействиями на элементы телескопа. В результате были получены следующие экспериментальные данные.

· При задании возмущения на стакан первичного фокуса колебания подвески червяка привода А со временем затухания ≈ 10 сек. Сосредоточены в областях частот 0.7-1.2 Гц. При этом колебания выходной оси телескопа достигают амплитуды ≈ 2.5″.

· При штатном режиме программного ведения случайные возмущения со стороны системы управления приводят к колебаниям подвески червяка привода А с частотой 0.8-0.9 Гц с амплитудой до 1 угл. сек.

· При задании возмущения на стакан первичного фокуса колебания подвески червяка привода Z сосредоточены в области частот 0.4 Гц , со временем затухания ≈ 28 сек. Колебания оси Z телескопа имеют максимум на частоте 0.41 Гц с амплитудой до 2.5 угл. сек.

· При штатном режиме ведения по оси Z колебания оси телескопа происходят на частоте 0.8-0.9 Гц, амплитуда колебаний достигает значений до 1″.

· Для возбуждения колебаний трубы относительно средника оказалось необходимым прилагать большие усилия типа, возникающих из-за скачков скорости при перенаведениях. Колебания в системе «средник - оправа зеркала» выявить не удалось, в системе «средник трубы – переднее кольцо» возбуждаются колебания сложной с частотой первой гармоники ≈ 0.4 Гц.

Рис. 8: а. Запись ошибок ведения телескопа 08.08.1991 г. Вверху - исходный процесс и низкочастотные тренды по осям γ и Z, внизу - спектры мощности низкочастотного тренда (время дано в единицах 0.1 сек, амплитуды в единицах 0.1″, частоты - в единицах 10 Гц).

Для иллюстрации этих результатов были получены записи ведения БТА при импульсных возмущениях системы, имитирующих ветровые нагрузки. На рис. 9 представлены последствия толчка по стойке телескопа, возбудившего колебания изображения с ν_z ≈ 0.9 Гц и ν_Υ ≈ 0.8 Гц с амплитудой ≈ 0.6″, причем колебания по азимуту затухают много быстрее.

В результате проведенных исследований В.Ф. Рухлевым была построена математическая динамическая модель телескопа и выполнен анализ штатной системы управления БТА с этой динамической моделью объекта управления. В анализе не только воспроизводится наблюдаемая картина ошибок ведения, чем подтверждается реальность математической модели, но и определены ограничения штатного алгоритма управления (неохваченный обратной связью колебательный контур трубы и подпружиненных червячных передач, астатизм второго порядка, малые управляющие моменты и т.д.). На рис. 10 представлен результат попытки ввода сигнала рассогласования по азимуту с цифрового телегида в штатную систему управления (замыкание управления по объекту слежения). Можно видеть развитие колебаний телескопа на частоте
ν_Υ ≈ 0.6 Гц с последующей потерей объекта слежения.

Очевидно, что возможности повышения точностных характеристик ведения в штатном алгоритме управления полностью исчерпаны. С помощью автоматизированной системы проектирования "ДИСПАС" В.Ф. Рухлевым был синтезирован алгоритм инвариантного относительно внешних возмущений управления с демпфирующими и компенсирующими контурами, использующий ускорение как параметр управления. При этом минимизировалось число датчиков обратной связи, поскольку создание датчиков положения, скорости и ускорения на выходных осях, с требуемыми чувствительностью и временным разрешением, является главной трудностью реализации. В результате на математической модели было показано, что для БТА можно достичь точности программного ведения 0.1 — 0.2" с исключением как трендовых, так и высокочастотных ошибок ведения.

В проектах современных крупных телескопов ставятся очень высокие требования к качеству управления:

· ошибки наведения не хуже ±1" по обеим осям;

· трендовая ошибка ведения не более 0.2" за 30 минут экспозиции;

· амплитуда высокочастотных ошибок ведения не более 0.2".

Рис. 8b. Высокочастотная составляющая ошибок ведения рис. 8 и ее спектры мощности.

Создатели штатной системы управления очень успешно для своего времени решили задачу управления БТА, преодолев трудности крайне ограниченной номенклатуры вычислительной и цифровой техники, преобразователей угол - код и т.д. Однако для достижения современных точностных требований необходимо внедрение новых алгоритмов управления, устраняющих влияние внешних возмущений. В 1994 г. на БТА был аппаратно реализован на оси А образец контура демпфирования колебаний, включающий датчик скорости смещения подвески червячной передачи и необходимые цепи формирования управляющих сигналов. В результате эксперимента на реальном телескопе было получено снижение в 5-6 раз времени затухания колебаний, а также повышение точностных характеристик ручной коррекции. Таким образом, на телескопе была показана обоснованность модельных алгоритмов демпфирования колебаний БТА, а также возможность использования подпружиненных подвесок червячных передач как индикаторов внешних возмущений.

Заключение

Выше мы останавливались на количественной иллюстрации общих проблем, определяющих эффективность использования большой светособирающей площади 6-метрового зеркала БТА. Многолетний эмпирический материал, интересные результаты его анализа, методические разработки и опыт эксплуатации БТА опубликованы в статьях сотрудников и научно-технических отчетах САО РАН. Опираясь на опыт 30-ти лет научной эксплуатации телескопа, мы должны дать следующие оценки основным астрономическим решениям, которые заложены в проекте БТА.

1. Астроклимат места установки явился основным фактором, снижающим наблюдательный потенциал БТА. Однако за последние 30 лет выяснилось, что на территории европейской части бывшего СССР, включая Закавказье, нет мест с принципиально лучшими астроклиматическими характеристиками для большого

телескопа, чем район установки БТА.

Рис. 9: Реакция ведения телескопа на импульсное внешнее возмущение. Вверху - процесс колебаний центра изображения Δγ и Δ Z, внизу - спектры мощности процесса.

2. Заданное создателями БТА значение относительного отверстия главного зеркала 1:4 ориентировалось на технологические возможности 50-х годов и определило трудности решения тепловых проблем БТА и проблем точностных характеристик управления телескопом.

3. Насыщенная рабочими и даже жилыми помещениями башня БТА повторила башни телескопов начала века и определяет трудности борьбы с быстрыми вариациями наружной температуры в месте установки БТА.

4. Смелое для своего времени решение о создании большого телескопа на альтазимутальной монтировке полностью оправдалось. Именно поэтому успех работы альтазимутальной монтировки БТА оказал существенное влияние на тенденции крупного телескопостроения, вместе с новой космической технологией способствуя значительному увеличению предельного диаметра однозеркального телескопа.

За 30 лет работы БТА потери наблюдательного времени по техническим причинам практически отсутствуют. Проведенная в 1989-1990 гг. ревизия показала большой запас жизнересурса основных механизмов башни и телескопа. В тоже время выяснилось полное моральное и физическое исчерпание ресурса АСУ БТА, построенной на базе 70-х годов. Поскольку это грозит возрастающими потерями ограниченного бюджета наблюдательного времени БТА, в 1990-1992 гг. был разработан проект замены и модернизации АСУ БТА (проект АСУ-М БТА), целью которого было не только восстановление жизнересурса телескопа, но и достижение современных требований к точности ведения и наведения. Приведенные выше данные

Рис. 10: Реакция штатной системы управления на сигнал рассогласования от TV-гиоа. Вверху процесс развития колебаний изображения по γ и Z, внизу - спектры мощности процесса.

показывают, что эффективность использования потенциала БТА может быть значительно повышена при осуществлении следующих основных пунктов плана модернизации телескопа:

· реализация проекта АСУ-М БТА в полном объеме;

· замена старого главного зеркала на новое с повышенным качеством отражающей поверхности;

· вынос из башни всех рабочих и жилых помещений;

Осуществление этого плана выведет БТА на уровень современных требований к крупному оптическому телескопу и создаст базу для эффективного внедрения локальных средств адаптивной оптики.

За 30 лет работы телескоп БТА в целом оправдал реалистические ожидания астрономов, особенно в спектральных наблюдательных задачах. За прошедшие годы наряду с научными результатами в САО РАН накоплен ценный методический опыт выполнения предельных наблюдательных задач астрофизики. Именно этот опыт дает уверенность, что возможности БТА далеко не исчерпаны и поток получаемых на БТА наблюдательных данных должен только возрастать.

f

Приложение

Основные работы по модернизации комплекса БТА, выполненные после сдачи телескопа в эксплуатацию и направленные на реализацию его проницающей силы

I. Содержание работы: замена главного зеркала БТА.

I.1. Год завершения: 1980г.

I.2. Результат работы: выигрыш в проницающей силе 20-25% за счет большей площади и качества поверхности.

I.3. Основные исполнители: совместная работа НПО "Оптика" и ПО "Рубин" с участием САО и ООФА.

I.4. Перспективы работы: изготовление ситаллового ГЗ БТА с повышенным качеством поверхности. Исполнитель: ПО "Рубин".

I 5. Когда должна была быть выполнена работа: 1973г. (ситалл I990)

2. Содержание работы: юстировка оптики телескопа, исследование и устранение нестабильности положения ГЗ БТА.

2.1. Год завершения: 1984г.

2.2. Результат работы: выигрыш в проницающей силе, сокращение затрат наблюдательного времени на наведение и коррекцию.

2.3. Основные исполнители: совместная работа ЛОМО, ЦНИИГАиК и САО.

2.4. Перспективы работы: создание локальных корректоров волнового фронта. Исполнитель: САО РАН.

2.5. Когда должна была быть выполнена работа: I974-I977гг.

3. Содержание работы: разработка концепции терморежима подкупольного пространства, запуск в эксплуатацию автоматической системы вентиляции.

3.1. Год завершения: 1989г.

3.2. Результат работы: перепад температуры наружной и внутри купола не превышает 2.5˚ в 80% случаев.

3.3. Основные исполнители: САО РАН (СЭК БТА).

3.4. Перспективы работы: модернизация системы маслопитания (единая однобаковая система маслопитания, регулировка температуры масла), доработка системы вентиляции купола наружным воздухом. Исполнители: САО РАН (СЭК BTA).

3.5. Когда должна была быть выполнена работа: I974-I977гг.

4. Содержание работы: Исследование ошибок геометрии телескопа и внедрение программной системы коррекции ошибок наведения.

4.1. Год завершения: 1992г.

4.2. Результат работы: размах распределения ошибок наведения ≤ 10″, среднеквадратичная ошибка ≤ 3" по обеим координатам. Устранены тренды ведения. Создана база для дистанционного управления.

4.3. Основные исполнители: совместная работа ЛОМО, ЦНИИГАиК и САО.

4.4. Перспективы работы: уточнение модели, устранение люфтов, создание банка программ подготовки к наблюдениям. Исполнитель: САО РАН.

4.5. Когда должна была быть выполнена работа: I974-I977гг.

5. Содержание работы: разработка проекта замены и модернизации АСУ БТА. Замена УВК АСУ БТА. Исследование ошибок ведения, построение динамической модели БТА. Первые результаты по демпфированию колебаний телескопа.

5.1. Год завершения: 1994г

5.2. Результаты работы: показана возможность устранения высокочастотных ошибок ведения. Внедрен новый УВК на базе современных РС.

5.3. Основные исполнители: совместная работа САО, ЛОМО и ЦНИИТОЧМАШ.

5.4. Перспективы работы: переработка проекта АСУ-М-БТА, модернизация АСУ БТА, повышение эксплуатационных характеристик и снижение эксплуатационных расходов. Достижение современных точностных характеристик ведения и наведения. Исполнитель: САО РАН (при внебюджетном финансировании).

5.5. Когда должна была быть выполнена работа: I974-l980гг.

Ответственный астроном БТА Снежко Л.И.