охлаждение Теория и практика охлаждения зеркала телескопа

[ivxg 721]

Предлагаю в данной теме подробно обсудить аспекты охлаждения главного зеркала.

Немного о способах организации:

Реальные примеры: 

Немого экспериментов на данную тему:

 

Пока удалось провести контрольный замер параметров остывания для температуры -5^о С:

 

 

Замер проводился каждые 150 секунд:

 

 

В соответствии со значением максимальной температуры массива зеркала в момент времени имеем следующую функцию зависимости температуры от времени:

 

Рис. 1 - Зависимость температуры зеркала от времени остывания

 

"Жуткая" картинка словно говорит нам: "300мм зеркало без охлаждения - это удел очень терпеливых ЛА". Ранее, путем численного моделирования, мне удалось оценить примерное время остывания 300мм зеркала с градиентом 30^оС в 158 мин.

Очевидно, что теоретическая оценка оказалась весьма "радужной": из-за ярко выраженного логарифмического характера (интенсивность охлаждения падает с уменьшением разницы температуры) время достижения полного термического равновесия не будет достигнуто никогда. Почему? А вот почему:

 

Рис.2 - Прогноз полного процесса остывания 300мм зеркала

 

С учетом прогнозирования получаем 235 минут на полную стабилизацию при градиенте чуть больше 20^оС. А ведь температура воздуха не будет все 235 минут одинаковой. Вот измерения температуры воздуха:

 

Рис.3 - Изменение температуры воздуха во время эксперимента

 

Обратите внимание, как на рисунке 2 тяжело дается последний этап остывания. Он составляет без малого половину всего процесса термостабилизации.

 

Предварительный вывод: принудительная термостабилизация - есть необходимое мероприятие для крупноапертурной оптики. По сути крупные добы от Sky-Watcher из коробки лишены возможности выйти на максимум своих возможностей.

 

[roman 1 314]

Чет мне кажется, это достойно отдельной темы.

 

По моим наблюдениям, даже 8'' телескоп с трудном термостабилизируется без помощи.  

 

Замерял цифровыми термометрами температуру зеркала и окружающей среды и сделал такие выводы: 

1. Без охлаждения остывает очень долго. 
2. Лучшая картинка, когда разница между температурой зеркала в центре и воздуха около 0,5 градусов. 1 градус то же хорошо. 1,5 уже херновато, но если атмосфера хорошая, то ничо так. Все что выше ужас, когда знаешь какая картинка может быть. 
3. Интересно, что при выключении вентилятора зеркало начинает отставать от окружающей среды минимум на 1,5 градуса. Т.е активное охлаждение лучше не выключать. 
4. Я часто ленюсь запускать охлаждение, и контролировать это еще с помощью термометров. А это большая ошибка. 

[egn 25]

А как вы запитываете вентиляторы?

[roman 1 314]

А чего их запитывать? От любого источника 12 вольт. 

[egn 25]

Я имел в виду не источник питания, а способ подключения. Как прокладываете провода, где их соединяете, если несколько вентиляторов.

[roman 1 314]

Вот обширная тема 

 

[ivxg 721]

А теперь по поводу злостного влияния интернета на неокрепшие умы: очень распространенный термин - термостабилизация. По идее это полное выравнивание температур зеркала (объектива) и окружающей среды. Что мы от этого имеем:

1. Нет тепловых потоков от самого зеркала

2. Геометрия массива стекла не деформируется 

 

И все бы ничего, если бы я не видел столь сильной разницы от источника к источнику, сколько нужно времени, что бы эту термостабилизацию поймать. А теперь давайте глянем на вот эту картинку:

рис 1

 

Это - 90 минут после начала остывания зеркала. Зеленые зоны - зоны чрезмерно высокой температуры. Обратите внимание, на сколько неравномерно распределение температуры. И это касается всех поверхностей массива зеркала, кроме отражающего слоя - его температуру определить напрямую так и не удалось.

 

И самое интересное, что с учетом колебания температуры воздуха мы таки получили термостабилизацию (!) Т.е. средние температуры зеркала и воздуха сравнялись.

 

Ну и, собственно, суть: большинство измерение температуры зеркала - есть не более чем измерение температуры конкретной зоны этого зеркала, а в худшем случае, если измерение проводилось контактным прибором  (термопара к примеру) то и вовсе, температуру сенсора, а не стекла. Оценивать время по такому измерению попросту нельзя.

Что касается текущих измерений, то они тоже, как ни странно, не показатель. А вот если сопоставить среднемассовое распределение энергии по массиву и степени вносимой аберрации, то это было бы совсем другое дело. С учетом того, что едва ли это можно осуществить с приемлемым допуском по погрешности, предлагаю рассмотреть вот такой тезис:

 

средний максимум возможностей зеркала, относительно его температуры вероятно достижим при разнице менее 2 - 1,5^оС - фактически далее оперировать цифрами меньше, чем эти - попросту необязательно. Зеркало в среднем будет готово, а степень готовности конкретного объектива скорее всего будет определяться его массой и текущим перепадом температур...

 

Вот вам и термостабилизация...

[ivxg 721]

Касательно термина:  среднемассовое распределение энергии по массиву

 

Вот как раз оно для остывшего в наших условиях зеркала (тепловых потоков от массива приборы не зафиксировали):

 

 

В момент измерения температура воздуха равнялась -2,7^oC. У нас же есть как переохлажденные зоны (вернее не нагревшиеся после очередного скачка температуры воздуха), так и не остывшие. Хочу обратить внимание, что данные ниже -3,3 и выше -1,8 уже не относятся к зеркалу - это переотражения инфракрасного излучения от различных объектов. 

[roman 1 314]

16 минуту назад, ivxg сказал:

Ну и, собственно, суть: большинство измерение температуры зеркала - есть не более чем измерение температуры конкретной зоны этого зеркала, а в худшем случае, если измерение проводилось контактным прибором  (термопара к примеру) то и вовсе, температуру сенсора, а не стекла. Оценивать время по такому измерению попросту нельзя.

 

Смотря каких измерений. Для того чтобы писать научные статьи, наверно да. Для того, чтобы понять суть вещей отнюдь нет. 

 

Датчик установленный на зеркале все же показывает в достаточной степени точности, температуру в данной точке стекла. Не свою температуру! Поскольку датчик закреплен плотно на стекле и заклеен термоизоляцией, которая не позволяет вносить искаженные данные. Термоизоляция не только не пропускает внутрь, но и изнутри.  

 

Далее, опытным путем (как я выше) мы для конкретного зеркала определяем разницу температур, при котором картинка выдаваемая телескопом соответствует нашим представлением о качественной. Теперь, в следующий раз, когда мы смотрим в телескоп и видим что чета не то. Смотрим на датчики и видим, ага - не остыл! Проверено. 

 

Для большого зеркала возможно имеет смысл поставить дачтик не в центр, а куда-то в другое место или поставить пару градусников. Для последующей  интерпретации. 

 

29 минуты назад, ivxg сказал:

очень распространенный термин - термостабилизация

Ты ждешь абсолютных значений, те чтобы все зеркало имело одинаковую температуру. Но, ясен пень , что это почти невозможно на практике. Однако, все же зеркало с посторонней помощью остывает до температуры, которая позволяет нам наблюдать. А современные стекла, имеющие низкий коэф. расширения минимизируют вот эти перепады внутри.   

 

Тем более: 

32 минуты назад, ivxg сказал:

И самое интересное, что с учетом колебания температуры воздуха мы таки получили термостабилизацию (!) Т.е. средние температуры зеркала и воздуха сравнялись.

 

[ivxg 721]

Цитата

 котором картинка выдаваемая телескопом соответствует нашим представлением о качественной

 

Так вот я к этому и веду. Само понятие термостабилизация интерпретируется неверно.

 

Цитата

Ты ждешь абсолютных значений, те чтобы все зеркало имело одинаковую температуру. 

 

Не, я этого не ожидал, другое дело, что столь сильная дифференциация меня удивила...

[roman 1 314]

Почему 3 пятна зеленых? Что там? Вентиляторы? Они работали или нет? 

[ivxg 721]

Да, это вентиляторы греются в процессе работы. Очень хорошо будет видно когда опубликую анимашку...