ЛАБОРАТОРИЯ     ГЕОДИНАМИКИ
Главная страница ГАО РАН Новости Структура Определение ПВЗ Сейсмология Инструменты База данных Публикации Любителям астрономии

Фотоэлектрический пассажный инструмент.

А.А.Попов

Пулковский фотоэлектрический пассажный инструмент с видом на Главное здание обсерватории. Определение точного времени сводится к определению поправки часов. Классические методы определения поправки часов из астрономических наблюдений основаны на регистрации моментов прохождений звезд через небесный меридиан либо через некоторый альмукантарат (круг равных высот). В Службе времени Пулковской обсерватории для этой цели служит перекладывающийся пассажный инструмент (ППИ).
Идея пассажного инструмента достаточно проста и заключается в следующем. Астрономическая труба с сеткой нитей, расположенной в фокальной плоскости объектива, скреплена с горизонтальной осью инструмента так, чтобы визирная линия трубы была всегда перпендикулярна к оси и могла свободно вращаться вместе с ней. Тогда при вращении трубы продолжение визирной линии будет описывать на небесной сфере большой круг, а вертикальная нить, проходящая через центр сетки, будет находиться в плоскости этого круга. Следовательно, момент пересечения изображением звезды этой нити и будет моментом пересечения светилом данного вертикального круга. Если горизонтальная ось вращения инструмента расположена точно в плоскости первого вертикала, то визирная линия трубы и средняя вертикальная нить будут расположены в плоскости небесного меридиана и дадут возможность определить момент прохождения звездой его плоскости.
В связи с тем, что идеальных инструментов в действительности не бывает и точная установка их практически невозможна, то в реальном ППИ визирная линия не перпендикулярна к горизонтальной оси, сама ось наклонена к плоскости математического горизонта и не лежит в плоскости первого вертикала, диаметры сечений цапф отличаются друг от друга и не имеют формы круга. Всё это вызывает отклонение визирной линии от плоскости небесного меридиана и её продолжение описывает на небесной сфере сложную кривую близкую к меридиану.
Учесть инструментальные ошибки, привести наблюдённый момент на меридиан и, таким образом, определить поправку часов ( U ) можно с помощью формулы Майера:
                U = α - (T + c C + i I + k K), где
α - прямое восхождение звезды, T - зарегистрированный момент прохождения звезды; c, i и k - коллимация, наклонность и азимут инструмента; C, I и K - соответствующие коэффициенты Майера. Коллимация c считается исключенной, если наблюдения звезд ведутся ведутся с перекладкой горизонтальной оси инструмента (перекладывающийся пассажный инструмент).

Н.Н.Павлов. Принципиально важным этапом в совершенствовании астрономических наблюдений в астрооптической службе времени явился разработанный в 1938г. Н.Н.Павловым фотоэлектрический метод регистрации звездных прохождений, который в дальнейшем постоянно совершенствовался. Сетка нитей была заменена зеркальной решёткой, в которой зеркальные штрихи чередовались с прозрачными участками с шагом 100 мкм, решётка располагалась в фокальной плоскости инструмента под углом 450 град. к визирной линии, штрихи ориентированы параллельно плоскости меридиана. Была применена 2-х канальная схема регистрации на фотоэлектрических умножителях (ФЭУ): расфокусированное изображение проходящей звезды фотометрировалось на границе зеркального и прозрачного участков решётки, когда фототоки от обоих участков решётки сравнивались - вырабатывался логический импульс-момент   Тi. Звезда наблюдалась до прохождения меридиана и после прохождения, производилась редукция на меридиан.

С 1959г. в Пулкове начаты наблюдения на новом термозащищенном фотоэлектрическом пассажном инструменте (ППИ-1) конструкции Н.Н.Павлова в новом павильоне с вытяжной вентиляцией. В 1971г. этот инструмент был заменен двумя усовершенствованными инструментами ППИ-2А и ППИ-2Б, также разработанными Н.Н.Павловым и изготовленными в механических мастерских Пулковской обсерватории.
Наиболее значимыми усовершенствования, внесенные в конструкцию новых инструментов, можно считать следующие:
  • для повышения устойчивости визирной линии применена (с некоторыми изменениями, внесенными Н.Н.Павловым) самоцентрирующаяся оправа объектива конструкции Л.А.Сухарева;
  • в оптической схеме применена эккерная система, позволившая уменьшить размеры трубы так, что объектив инструмента стал располагаться почти на уровне термозащитного кожуха, при этом аэродинамические свойства инструмента также улучшились;
  • в механизме разгрузки использовано многорычажное устройство, разработанное механиком Б.С.Ерёминым, компактность и высокая чувствительность которых оказались очень удобными для перекладывающихся пассажных инструментов.

Важно отметить, что новые инструменты отличались от инструментов классического типа тем, что перекладывается весь верхний блок инструмента, представляющий собой, по существу, целиком инструмент классического типа, что позволило улучшить термозащиту и закрыть цапфы от попадания пыли. На выбор конструкции этого инструмента большое влияние оказали результаты исследования температурных градиентов в теле инструмента классического типа, т.к. оказалось, что температурные разности не перекладывающихся стоек инструмента вносят заметные систематические ошибки в результаты наблюдений.

В инструментах использовалась система опор, при которой верхний блок инструмента опирается на нижнюю плиту (подставка Деллена) до и после перекладки 3-мя точками на 2 разные системы из 3-х подпятников с V-образными вырезами (90o при вершине) в направлении 1-го вертикала: 1 подпятник - на одной стороне инструмента, 2 - на другой (система опор верхнего уровня). Винты подставки Деллена опираются на связанные со столбом подпятники классического типа: 1) конус, 2) плоскость - "свободная опора", 3) азимутальная V - образная опора (система опор нижнего уровня).
Опыт эксплуатации показал, что система опор верхнего уровня оказалась весьма сложной в установке и юстировке, слишком взаимозависимой, поэтому в 1974г. Н.Н.Павловым система опор верхнего уровня была изменена - верхний блок стал опираться на нижнюю плиту четырьмя опорами: 2 конусами (90o при вершине) на соответствующие им V - образные опоры на нижней плите в плоскости 1-го вертикала, задающие меридиан места; 2 винтами ( один подпружиненный ) с закругленными концами на соответствующие им опорные площадки в плоскости меридиана, эти опоры задают место зенита.

Вид Западного павильона (ППИ-2Б) на научной площадке Инструменты находились в идентичных по конструкции павильонах, снабженных мощной вытяжной вентиляцией и располагались на наблюдательной площадке симметрично относительно Пулковского меридиана, проходящего через центр Круглого главного здания обсерватории. Вид Восточного павильона (ППИ-2А) на научной площадке


Параллельные наблюдения на ППИ-2А и ППИ-2Б продолжавшиеся до мая 1985г., позволили выявить также уклонение линии отвеса между инструментами. В дальнейшем в силу ряда причин наблюдения продолжались на инструменте ППИ-2Б, в Западном павильоне службы времени.
Характеристика параметров ППИ-2Б:
Диаметр объектива 100 мм.
Диаметр объектива трубы искателя 40 мм.
Фокусное расстояние 1000 мм.
Цена деления основного уровня 1".
Ширина поля зрения ~35'.
Оптическая схема: "ломаная труба с зеркальным эккером".
Приемник: 2-х канальная фотоэлектрическая установка на ФЭУ-86.

В 1985г. В.А.Наумовым и А.А Поповым был начат очередной этап совершенствования ППИ-2Б, предпринятый, в основном, для увеличения стабильности азимута и наклонности инструмента, который включил в себя следующие работы:
  1. Меридианные опоры перекладывающейся части инструмента после переделки опираются калеными шлифованными площадками верхней половины опоры на шары, находящиеся в самоцентрирующихся оправах, допускающих, однако, их перемещения при довороте инструмента в момент опускания после перекладки, т.е. трение скольжения заменено трением качения.
  2. Изменен угол при вершине V-образных опор для верхней части инструмента в первом вертикале (с 90o на 60o при вершине).
  3. Произведена переделка в механизме перекладки верхнего блока инструмента. Действовавший механизм состоял из опорного конуса на верхнем блоке инструмента, колонны со свободно ходящим в ней по вертикали цилиндром на нижней плите. Во время перекладки верхнего блока инструмента рычагом с расположенном на его оси эксцентриком поднимался "стакан", который захватывал опорный конус верхнего блока, и при дальнейшем повороте рычага осуществлялся подъем всего верхнего блока и перекладка. При опускании верхнего блока существовала опасность не разъединения цилиндра и конуса, т.к. конусность мала (около 8o), избегать этого помогала довольно сильная регулируемая цилиндрическая пружина, опиравшаяся одним концом в дно "стакана" а другим - в винт на верхнем блоке инструмента. Практика показала, что разъединение происходило не всегда, что приводило к искажениям азимута и наклонности инструмента, кроме того, сильная пружина, давившая в центр плиты верхнего блока инструмента, возможно, деформировала верхнюю плиту с расположенными на ней лагерными стойками, точка приложения силы пружины могла находиться не на линии, соединяющей опоры в первом вертикале, и вектор силы мог быть не вертикальным, что также влияло на ориентацию визирной линии инструмента.

    4. Переделки свелись к установке вокруг эксцентрика специального бандажа, жестко скрепленного со стаканом. Таким образом, при опускании верхнего блока инструмента эксцентрик, обратным ходом давя на бандаж, гарантированно разъединяет опорный конус и стакан, ставшую ненужной пружину убрали.
    Исследование воспроизводимости угла перекладки верхнего блока инструмента на 180o до и после перекладки производилось с помощью автоколлиматора АК-0.25 и плоскопараллельного двухстороннего ситалового зеркала на плите перекладывающейся части инструмента, закрепленного в оправе, допускающей автономную перекладку зеркала на 180o вокруг вертикальной оси для исключения клиновидности зеркала. Результаты исследования:
    до переделок = 0.24"± 0,06", после переделок = -0,06"±0,03", где - угол, характеризующий систематическое уклонение угла перекладки от 180o В.Л.Горшков и Н.Н.Немчиков по результатам обработки наблюдений за 1989 - 1990г.г. получили оценку точности перекладки инструмента. Среднее значение уклонения угла перекладки от 180o оказалось равным -1.1" ± 0.3", до последнего этапа переделок на инструменте подобного исследования, к сожалению, не проводилось.
    Многочисленные исследования точности перекладки разного типа астрометрических инструментов, проведенные, в основном, В.А.Наумовым показали, что данный ФПИ не имеет в этом смысле преимуществ по сравнению с инструментом классического типа с хорошо центрированным механизмом перекладки.
  4. Еще одним слабым местом ППИ-2Б являлось конструктивное решение подпятников подставки Деллена. При изменениях горизонтальных геометрических размеров ФПИ в результате перепада температур была предусмотрена возможность скольжения опорных конусов. Однако при появлении "пролежней", коррозии этот механизм не срабатывал или срабатывал скачками. В результате переделок в подпятниках азимутальной и "свободной" опор трение скольжения заменено трением качения. В азимутальной опоре верхняя площадка подпятника имеет V-вырез (угол при вершине 60o), направленный на первую опору, и шлифованную площадку. Опорный винт опирается на эту площадку и, посредством трех шаров, - на нижнюю часть подпятника, связанную со столбом. Внутренние опорные поверхности обеих частей подпятника являются зеркальным отражением друг друга. "Свободная" опора также состоит из двух частей со шлифованными поверхностями, между которыми установлены три шара, заключенные в обойму, на верхнюю часть опирается винт подставки Деллена, нижняя часть вмурована в столб инструмента. Конструкция третьей опоры не изменена. Таким образом, инструмент установлен на восьми шарах.
  5. Несколько ранее, еще до 1987г., когда начались основные переделки, механиком лаборатории Д.С.Усановым были перешлифованы цапфы. Лабораторные исследования с помощью горизонтального оптиметра ИК-6 давали максимальное уклонение от идеальной фигуры цапф 3 мкм до шлифовки и О.2 мкм - после.
  6. Еще в 1970г. столб инструмента был удлинен примерно на 1.5 м, инструмент был поднят так, чтобы росянка при z = 0o была на уровне верха раскрытых створок павильона. Таким образом, столб высотой более 3.5 м ( 90 см х 60 см - в сечении), не имеющий жесткой связи со своим фундаментом из-за гидроизоляции из листа рубероида, наклонялся при небольшом усилии, приложенном к верхней части столба. Для повышения устойчивости столба вокруг его основания был сделан бандаж из металлической арматуры, концы которой были заглублены в фундамент столба, и залит бетоном на высоту примерно 60 см.

Небольшие ряды наблюдений, взятые для оценок, подтверждают эффективность предпринятой модернизации, особенно, в отношении стабильности азимута инструмента.
Главная страница ГАО РАН Новости Структура Определение ПВЗ Сейсмология Инструменты База данных Публикации Любителям астрономии