Montáž dalekohledu


Pohyby dalekohledu

Pohyb dalekohledu umožňují elektrické motory. V deklinační ose se může pohybovat ve třech rychlostních režimech; rozeznáváme pohyby hrubý, jemný a velmi jemný (pointační). V hodinové ose navíc může dalekohled kopírovat denní pohyb oblohy (rychlost tohoto pohybu činí 15o za hodinu). Mimoto může ondřejovský dalekohled sledovat objekty s vlastním pohybem (například Měsíc, planetky, komety apod.), protože v případě potřeby se může dalekohled pohybovat různými rychlostmi v obou osách, hodinové i deklinační, a kopírovat tak vlastní pohyb objektu. Právě tato možnost vyplynula historicky z požadavků sovětské strany na konstrukci dalekohledu pro Ázerbajdžán, a to kvůli unifikaci konstrukcí. Českoslovenští astronomové s touto možností nikdy nepočítali a nebyli z ní příliš nadšeni - a také nebyla nikdy využívána.

Hrubé pohyby se ovládají v každé ose jednou sadou motorů, oba jemné pohyby druhou sadou. K přepínání mezi hrubým pohybem a jemnými pohyby (tj. jemným, pointačním a hodinovým) slouží elektromagnetická spojka. Rychlost pohybů se řídí rychlostí otáček elektromotorů a dosahuje typicky desítek úhlových stupňů za minutu pro hrubé pohyby, desítek úhlových minut za minutu pro jemné a několika úhlových minut za minutu pro pointační pohyby. Motory jsou napájeny stejnosměrným proudem, který však nepřichází souvisle, ale periodicky v pulsech "vypnuto -- zapnuto". Celková perioda pulsů je konstantní, mění se však poměr délky pulsu "zapnuto" ku "vypnuto" a tím se reguluje rychlost otáček motoru.

Elektromagnetická spojka pro přepínání mezi hrubými a jemnými pohyby. Levý a střední obrázek ukazují umístění kotouče elektromagnetické spojky mezi ozubené kolo pro hrubý a šnekové kolo pro jemný pohyb. Pravý obrázek ukazuje v detailu realizaci spojky.

Elektromagnetická spojka je spojena s hodinovou osou dalekohledu. Ozubené kolo pro hrubý pohyb i šnekové kolo pro jemné pohyby jsou volné. Podle toho, ke kterému kolu se spojka přitlačí, se na osu dalekohledu přenáší hrubý nebo jemný pohyb. K realizaci přenosu tření se používají kovové válce, které se přitlačí na příslušné ozubené kolo (viz pravý obrázek).

Hrubý pohyb v hodinové ose ovládá elektromotor přes převodovku. Z ní vede hřídel na pastorek, který otáčí ozubeným kolem hodinové osy. Průměr ozubeného kola je asi 1 metr.

Jemný a hodinový pohyb se přenáší na hodinovou osu dvojitým šnekovým převodem s diferenciálem. Na hodinové ose původně viselo závaží, které působilo na osu určitým momentem síly, takže šnekové převody byly trvale v záběru. Když však v průběhu modernizace dalekohledu (viz modernizace) došlo k demontáži tohoto závaží, ukázalo se, že diferenciál napojený na šnekové mechanizmy způsobuje problémy s přenosem kroutícího momentu z elektromotoru na hodinovou osu dalekohledu. V okamžiku, kdy jeden ze závitů působil na šnekové kolo větším kroutícím momentem, urychlil se nepatrně pohyb dalekohledu v daném směru. Tím však zase začal druhý šnekový mechanizmus více "brzdit" pohyb, větší kroutící moment se začal přenášet tímto druhým šnekovým mechanizmem a dalekohled začal nepatrně brzdit. Výsledkem byly kmity v hodinové ose. Pracovníci firmy Zeiss se pokusili závadu odstranit dokonalejším mazáním šnekového převodu, ale kmity se objevily i po instalaci nového mazacího zařízení (1988). Nakonec se kmitání podařilo odstranit tím, že se hodinová osa neustále brzdí silou přesně definované velikosti. Brzdnou sílu zajišťují brzdové destičky, které působí na kotouč na hodinové ose. Ty se samozřejmě postupně opotřebovávají, a proto je potřeba čas od času upravit jejich polohu, aby brzdící síla byla stále stejná.

Schéma šnekového převodu jemného pohybu hodinové osy.
Brzdění hodinové osy. Brzdové destičky působí na kolo o průměru asi 1.2m.

Hrubý pohyb v deklinační ose funguje podobně jako v ose hodinové. Elektromotor přes převodovku otáčí pastorkem, který přenáší pohyb na ozubené kolo deklinační osy.

Jemný pohyb v deklinaci je však řešen odlišně. Elektromotor přes převodovku otáčí šroubem. Po něm jezdí matice spojená ramenem s deklinační osou. Rameno je dlouhé zhruba 1 m, pohyb matice po šroubu umožňuje rozsah jemného pohybu asi o dva úhlové stupně na každou stranu od středu šroubu. Kdyby matice dojela až do krajní polohy, pohyb by se zastavil a bylo by potřeba matici navrátit do pracovní polohy. To řeší počítač, kterému je možné zadat příkaz k vycentrování matice na šroubu. Taková situace však běžně nenastává, neboť při každém hrubém pohybu v deklinaci se matice na šroubu automaticky vycentruje a při pointování dalekohledu na hvězdu je rozsah pohybů mnohem menší než dva stupně.

Schéma šnekového převodu jemného pohybu deklinační osy.

Hodinová osa

Hodinová osa dalekohledu je namířena na severní světový pól, takže dalekohled, jakmile je namířen na vybraný objekt, pohybuje se už pouze tzv. hodinovým pohybem, tj. sleduje zdánlivé denní otáčení oblohy. To je koneckonců základní vlastnost a výhoda paralaktické montáže.

Hodinová osa ondřejovského dalekohledu je dutá a je jí vedeno světlo objektů do coudé ohnisek.

Jako svým způsobem zajímavost můžeme uvést, že použitá hodinová osa je původně vlastně hřídel Kaplanovy turbíny pro nějakou hydroelektrárnu. Jakkoliv to zní téměř groteskně, není to nesmyslné, nýbrž naopak velmi pragmatické. Na jednu stranu, konstruktéři museli pracovat s tím, co měli k dispozici, což byl sortiment jistě značně omezený - s ohledem na dobu a místo vzniku dalekohledu. Na druhou stranu, není a nebyl důvod, proč nesáhnout po hotovém výrobku a proč složitě stavět něco, co již bylo hotovo. Byl zde, pravda, jeden zdánlivě malý, ale ve skutečnosti podstatný rozdíl: Kaplanova turbína má vysoké otáčky, zatímco dalekohled po většinu času sleduje pohyb vybraného objektu po obloze a jen menšinu času tráví "přejezdy" z jednoho objektu na druhý. I tento "rychlý" pohyb je však fakticky pomalý, ve srovnání s otáčkami Kaplanovy turbíny - hrubý čili rychlý pohyb dalekohledu činí 90o/min.

Hodinová osa je uložena na valivém a hydrostatickém ložisku.

Hydrostatické ložisko

Severní konec hodinové osy nese hydraulické ložisko umístěné v průsečíku hodinové a deklinační osy. Nese asi 95 % váhy všech pohyblivých částí dalekohledu (to je asi 80 tun). Hydraulické ložisko tvoří část přesné kulové plochy, která leží na dvou lůžkách vybroušených do stejného tvaru

Do lůžek se vhání hydraulický olej; ten po dosažení pracovního tlaku 21 atmosfér nadzvedne hodinovou osu dalekohledu o 0.06 mm, okolo ložiska uniká do sběrného potrubí a vrací se zpět do čerpadla. Kulová plocha pohybuje po olejovém filmu hladce, bez nerovnoměrností, ke kterým by docházelo při použití valivého ložiska. To je pro hodinový pohyb velmi důležité, protože každá nepravidelnost pohybu by ztížila sledování objektů. Další výhodou takového zařízení je minimální třecí odpor, díky kterému stačí k hodinovému pohybu dalekohledu elektrický motor o výkonu pouhých 150 W (sic!).

Každé z obou lůžek samo plave na olejovém filmu a je samo o sobě nepatrně pohyblivé. Je to proto, aby mohlo reagovat na (případné) vnější podněty. Zejména jde o možné změny tvaru sférické části hodinové osy. Přece jenom, olejový film je silný jen zmíněných 0.06mm a není zaručeno, že velký ocelový prstenec (vnější průměr cca 1800mm) bude při svém rozměru obroben se stejnou přesností. Pohyblivé lůžko může snadno reagovat na případné "boule".

Hydrostatické ložisko. Náčrt v plánech od firmy Zeiss.
Koruna železobetonového pilíře.
Ukládání hodinové osy na pilíř. Na fotce je velmi dobře vidět sférická část hydrostatického ložiska.
Ukládání deklinačního domečku na hodinovou osu. Opět je vidět sférická část hydrostatického ložiska.
Schéma jedné ze dvou "misek" hydraulického ložiska. Půdorys a nárys.
Pohled podél hodinové osy vzhůru, směrem k severnímu světovému pólu. Fotograf je uvnitř pilíře. Pohyblivá část hodinové osy vede směrem doprava dolů. Černý prstenec v horní části obrázku je část sférické plochy hydrostatického ložiska.

Při provozu dalekohledu je tlak v různých místech hydraulického systému výrazně různý. Největší je v bezprostředním okolí čerpadel, v tlakové nádobě a přilehlém potrubí, ve vzdálenějších částech potrubí klesá a v olejovém ložisku hodinové osy je pracovní tlak nejmenší a dosahuje těch zmíněných 21 atmosfér. Je to tím, že olej cirkuluje a jedná se tedy o dynamický, nikoliv statický problém. V důsledku tření oleje o stěny potrubí a také vlastní viskozity vzniká popsaný tlakový gradient.

Jednoduché schéma olejového systému dalekohledu.

Technická specifikace olejového systému

Spodní (jižní) ložisko

Hodinová osa je na jižním konci vybavena valivým ložiskem, které nese cca 5% celkové váhy dalekohledu.

Ložisko je trvale mazáno, aby se snížilo tření a zjemnil chod. Nad šnekové převody je přivedeno olejové potrubí (bez tlaku) a olej nepatrně kape na soukolí. Je pak jímán do sběrné nádoby a veden zpět do olejového systému.

Jižní (spodní) ložisko hodinové osy. Výkres od firmy Zeiss.

Oprava o precesi

Hodinová osa není uložena pevně. Ve svém dolním (tj. jižním) konci je nepatrně pohyblivá. Dolní konec osy tvoří část sférické plochy, která dosedá na polštář též sférického tvaru. Středy obou sfér jsou v geometrickém středu hydrostatického ložiska, tedy v průsečíku hodinové a deklinační osy. Dolní část hodinové osy je možné tlakem oleje nepatrně nadzvednout a pohybovat s ním ve dvou kolmých osách. Tím je možné opravit vliv precese zemské osy.

Uložení spodního ložiska. Nákres od firmy Zeiss. Horní obrázek ukazuje celkové uložení dolního konce hodinové osy. Druhý obrázek ukazuje řešení pro opravu precese. Na tomto obrázku jsou vidět části dvou sférických ploch. Jsou jedna nad druhou. Každá z nich umožňuje pohnout hodinovou osou v jednom směru: doleva/doprava a nahoru/dolů.

Na předchozím obrázku uložení dolního ložiska hodinové osy je vidět zařízení k opravě precese. V levé části horního obrázku je hydraulická podpěra (vlastně píst), která může nepatrně nadzvednout dolní konec hodinové osy (na každé straně hodinové osy je jedna pístnice). Pak na sférických dosedacích plochách neleží žádná váha a je možné posunout hodinovou osu ve dvou směrech - doleva/doprava a nahoru/dolů. Tím lze přesměrěrovat hodinovou osu opět na světový pól. Těsně nahoře od středu obrázku jsou vidět i obě sférické dosedací plochy. Ty jsou v detailu zobrazeny na spodním obrázku.

Deklinační osa

Deklinační osu nesou dvě valivá ložiska, jedno kuličkové a jedno válečkové, se dvěma zkříženými válečky, výrobek Závodů valivých ložisek v Povážské Bystrici. Původně bylo na jeho místě použito soudečkové ložisko, které však vedlo k závažné technické poruše a vynutilo si dlouhou a nákladnou opravu (viz. kapitolu o minulých modernizacích). Nové řešení s ložiskem se dvěma válečky je spolehlivé a pracuje již třicet let bez závad.