Телескоп с жидкостным зеркалом

редактировать

Телескоп с жидкостным зеркалом. В этой конструкции оптические датчики устанавливаются над зеркалом в модуле в его фокусе, а двигатель и подшипники, которые поворачивают зеркало, находятся в том же модуле, что и датчики. Зеркало подвешено внизу.

Телескопы с жидкостными зеркалами - это телескопы с зеркалами, выполненными из отражающей жидкости. Наиболее распространенной жидкостью является ртуть, но подойдут и другие жидкости (например, легкоплавкие сплавы из галлия ). Жидкость и контейнер с ней вращаются с постоянной скоростью вокруг вертикальной оси, в результате чего поверхность жидкости принимает параболоидальную форму. Этот параболический рефлектор может служить в качестве главного зеркала отражающего телескопа . Вращающаяся жидкость принимает одну и ту же форму поверхности независимо от формы емкости; Чтобы уменьшить необходимое количество жидкого металла и, следовательно, уменьшить вес, во вращающемся ртутном зеркале используется емкость, форма которой максимально приближена к необходимой параболической форме. Жидкие зеркала могут быть недорогой альтернативой обычным большим телескопам. По сравнению с зеркалом из цельного стекла, которое необходимо отливать, шлифовать и полировать, вращающееся зеркало из жидкого металла намного дешевле в производстве.

Исаак Ньютон заметил, что свободная поверхность вращающейся жидкости образует круговой параболоид и поэтому может использоваться в качестве телескопа, но он не смог построить его, потому что у него не было возможности стабилизировать скорость вращения. Эта концепция была развита Эрнесто Капоччи из Неаполитанской обсерватории (1850 г.), но только в 1872 г. Данидин, Новая Зеландия построил первый рабочий лабораторный телескоп с жидкостным зеркалом.

Другая трудность заключается в том, что жидкометаллическое зеркало можно использовать только в зенитных телескопах, т. Е. Которые смотрят прямо, поэтому оно не подходит для исследований, где телескоп должен оставаться нацеленным на то же место инерциального пространства (возможное исключение из этого правила может существовать для космического телескопа с жидкостным зеркалом, в котором влияние земной гравитации заменено на искусственная гравитация, возможно, путем вращения телескопа на очень длинном тросе или плавного продвижения вперед с помощью ракет). Только телескоп, расположенный на Северном полюсе или Южном полюсе, может предложить относительно статичный вид неба, хотя точка замерзания ртути и удаленность местоположение необходимо будет рассмотреть. Очень большой радиотелескоп уже существует на Южном полюсе, но Северный полюс находится в Северном Ледовитом океане.

Ртутное зеркало Большого зенитного телескопа в Канаде было самым большим из когда-либо построенных жидкометаллических зеркал. Он имел диаметр 6 метров и вращался со скоростью примерно 8,5 оборотов в минуту. Сейчас он списан. Это зеркало было построено за 1 миллион долларов для испытаний, но оно не подходило для астрономии из-за погодных условий на полигоне. Теперь они планируют построить более крупный 8-метровый телескоп с жидкостным зеркалом ALPACA для астрономического использования и более крупный проект под названием LAMA с 66 отдельными 6,15-метровыми телескопами с общей собирающей способностью, равной 55-метровому телескопу, с разрешающей способностью 70-метровый прицел.

Параболическая форма, образованная вращающейся поверхностью жидкости. Две жидкости разной плотности заполняют узкое пространство между двумя листами прозрачного пластика. Зазор между листами закрыт снизу, по бокам и вверху. Вся сборка вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через центр.

Содержание

1 Объяснение равновесия
- 1.1 Скорость вращения и фокусное расстояние
2 Телескопы с жидкостным зеркалом
- 2.1 Обычные наземные- телескопы на основе жидких зеркал
- 2.2 Телескопы с жидкостными зеркалами на Луне
- 2.3 Космические кольцевые жидкостные зеркальные телескопы
3 Преимущества и недостатки
4 Гироскопические эффекты
5 Список жидкостных зеркальных телескопов
6 См. Также
7 Примечания
8 Ссылки
9 Внешние ссылки

Объяснение равновесия

Сила тяжести (красный), плавучесть (зеленый) и результирующая центростремительная сила (синий)

В следующем обсуждении $g {\ displaystyle g}$ $g$ представляет ускорение свободного падения, $ω {\ displaystyle \ omega }$ $\ omega$ представляет собой угловую скорость вращения жидкости в радианах в секунду, $m {\ displaystyle m}$ $m$ - масса бесконечно малого участка жидкий материал на с поверхность жидкости, $r {\ displaystyle r}$ $r$ - это расстояние участка от оси вращения, а $h {\ displaystyle h}$ $h$ - это высота земельного участка над нулевой отметкой определяется при расчете.

Диаграмма сил (показана) представляет собой снимок сил, действующих на участок, в невращающейся системе отсчета. Направление каждой стрелки показывает направление силы, а длина стрелки показывает силу силы. Красная стрелка представляет собой вес посылки, вызванный силой тяжести и направленный вертикально вниз. Зеленая стрелка показывает силу плавучести, прилагаемую к пакету массой жидкости. Поскольку в состоянии равновесия жидкость не может оказывать силу, параллельную своей поверхности, зеленая стрелка должна быть перпендикулярна поверхности. Короткая синяя стрелка показывает чистую силу на участке. Это векторная сумма сил веса и плавучести, действующая горизонтально по направлению к оси вращения. (Он должен быть горизонтальным, поскольку у посылки нет вертикального ускорения.) Это центростремительная сила, которая постоянно ускоряет посылку по направлению к оси, удерживая ее в круговом движении при вращении жидкости.

Сила плавучести (зеленая стрелка) имеет вертикальную составляющую, которая должна равняться весу $mg {\ displaystyle mg}$ $mg$ посылки (красная стрелка), и горизонтальную составляющую. выталкивающей силы должна равняться центростремительной силе $m ω 2 r {\ displaystyle m \ omega ^ {2} r}$ $m \ omega ^ {2} r$ (синяя стрелка). Таким образом, зеленая стрелка отклонена от вертикали на угол, касательная которого является частным этих сил. Поскольку зеленая стрелка перпендикулярна поверхности жидкости, наклон поверхности должен быть таким же, как отношение сил:

d h d r = m ω 2 r m g. {\ displaystyle {\ frac {dh} {dr}} = {\ frac {m \ omega ^ {2} r} {mg}}.}

{\ displaystyle {\ frac {dh} {dr}} = {\ frac {m \ омега ^ {2} r} {mg}}.}

Отмена $m {\ displaystyle m}$ $m$ с обеих сторон, интеграция и установка $h = 0 {\ displaystyle h = 0}$ $h = 0$ , когда $r = 0 {\ displaystyle r = 0}$ $r=0$ приводит к

h = 1 2 g ω 2 r 2. {\ displaystyle h = {\ frac {1} {2g}} \ omega ^ {2} r ^ {2}.}

{\ displaystyle h = {\ frac {1} {2g}} \ omega ^ {2} r ^ {2}.}

Это имеет форму $h = kr 2 {\ displaystyle h = kr ^ {2}}$ ${ \ displaystyle h = kr ^ {2}}$ , где $k {\ displaystyle k}$ $k$ - константа, показывающая, что поверхность по определению является параболоидом.

Скорость вращения и фокусное расстояние

Уравнение параболоида с точки зрения его фокусного расстояния (см. Параболический отражатель # Теория ) можно записать как

4 fh = r 2, {\ displaystyle 4fh = r ^ {2},}

{\ displaystyle 4fh = r ^ {2},}

, где $f {\ displaystyle f}$ $f$ - фокусное расстояние, а $h {\ displaystyle h}$ $h$ и $r {\ displaystyle r}$ $r$ определены выше.

Разделение этого уравнения на последнее уравнение исключает $h {\ displaystyle h}$ $h$ и $r {\ displaystyle r}$ $r$ и приводит к

2 f ω 2 = g, {\ displaystyle 2f \ omega ^ {2} = g,}

{\ displaystyle 2f \ omega ^ {2} = g,}

, который связывает угловую скорость вращения жидкости с фокусным расстоянием параболоида, создаваемого вращение. Обратите внимание, что никакие другие переменные не задействованы. Например, плотность жидкости не влияет на фокусное расстояние параболоида. Единицы должны быть согласованы, например $f {\ displaystyle f}$ $f$ может быть в метрах, $ω {\ displaystyle \ omega}$ $\ omega$ в радианах в секунду и $g {\ displaystyle g }$ $g$ в метрах на секунду в квадрате.

Если мы напишем $F {\ displaystyle F}$ $F$ для числового значения фокусного расстояния в метрах и $S {\ displaystyle S}$ $S$ для числового значения скорости вращения в оборотов в минуту (об / мин), затем на поверхности Земли, где $g {\ displaystyle g}$ $g$ составляет примерно 9,81 метра на во втором квадрате последнее уравнение сводится к приближению

FS 2 ≈ 447. {\ displaystyle FS ^ {2} \ приблизительно 447.}

{\ displaystyle FS ^ {2} \ около 447.}

Если фокусное расстояние находится в футах вместо метров, это приближение становится

FS 2 ≈ 1467. {\ displaystyle FS ^ {2} \ приблизительно 1467.}

{\ displaysty ле FS ^ {2} \ около 1467.}

Скорость вращения все еще выражается в об / мин.

Телескопы с жидкостным зеркалом

Обычные наземные телескопы с жидкостным зеркалом

Они сделаны из жидкости, хранящейся в цилиндрическом контейнере, сделанном из композитный материал, например кевлар. Цилиндр вращается, пока он не достигнет нескольких оборотов в минуту. Жидкость постепенно образует параболоид по форме обычного телескопического зеркала. Поверхность зеркала очень точная, небольшие дефекты формы цилиндра на нее не влияют. Используемое количество ртути невелико, менее миллиметра в толщину.

Лунные телескопы с жидкостным зеркалом

Низкотемпературные ионные жидкости (ниже 130 кельвинов ) были предложены в качестве жидкой основы для телескоп сверхбольшого диаметра с вращающимся жидкостным зеркалом, который будет базироваться на Луне. Низкая температура является преимуществом для получения изображения длинноволнового инфракрасного света, который представляет собой форму света (чрезвычайно с красным смещением ), приходящего из самых удаленных частей видимой Вселенной. Такая жидкая основа будет покрыта тонкой металлической пленкой, которая образует отражающую поверхность.

Космические телескопы с жидкостным зеркалом

Конструкция телескопа с жидкостным зеркалом похожа на обычные телескопы с жидкостным зеркалом. Он будет работать только в космосе; но на орбите гравитация не искажает форму зеркала в параболоид. Конструкция предусматривает хранение жидкости в плоском контейнере кольцевой формы с приподнятыми внутренними краями. Центральная фокальная область будет прямоугольной, но вторичное прямоугольно-параболическое зеркало будет собирать свет в фокальную точку. В остальном оптика аналогична другим оптическим телескопам. Светосила телескопа Райса примерно равна ширине, умноженной на диаметр кольца, за вычетом некоторой доли, зависящей от оптики, конструкции надстройки и т. Д.

Преимущества и недостатки

Самый большой Достоинством жидкостного зеркала является его небольшая стоимость, около 1% от обычного зеркала телескопа. Это снижает стоимость всего телескопа как минимум на 95%. 6-метровый Большой зенитный телескоп Университета Британской Колумбии стоил примерно в 50 раз меньше, чем обычный телескоп со стеклянным зеркалом. Самый большой недостаток в том, что зеркало можно направлять только вверх. В настоящее время ведутся исследования по созданию телескопов, которые можно наклонять, но в настоящее время, если бы жидкое зеркало отклонилось из зенита, оно потеряло бы свою форму. Таким образом, вид зеркала изменяется при вращении Земли, и объекты нельзя физически отслеживать. Объект можно кратковременно отслеживать с помощью электроники, находясь в поле зрения, перемещая электроны через ПЗС с той же скоростью, что и изображение; эта тактика называется временной задержкой и интегрированием или сканированием дрейфа. На некоторые типы астрономических исследований эти ограничения не влияют, например, на долгосрочные обзоры неба и поиск сверхновых. Поскольку Вселенная считается изотропной и однородной (это называется космологическим принципом ), исследование ее структуры космологи могут также использовать телескопы, сильно уменьшенные в направлении их обзора.

Поскольку металлическая ртуть и ее пары токсичны для людей и животных, остается проблема ее использования в любом телескопе, где она может повлиять на пользователей и других лиц в своей области. В Большом телескопе Зенит ртутное зеркало и люди-операторы размещены в отдельно вентилируемых помещениях. В его расположении в горах Канады температура окружающей среды довольно низкая, что снижает скорость испарения ртути. Вместо ртути можно использовать менее токсичный металл галлий, но его недостатком является высокая стоимость. Недавно канадские исследователи предложили замену магнитно-деформируемых жидких зеркал, состоящих из суспензии наночастиц железа и серебра в этиленгликоль. В дополнение к низкой токсичности и относительно низкой стоимости такое зеркало могло бы иметь преимущество, заключающееся в том, что оно легко и быстро деформируется с использованием вариаций напряженности магнитного поля.

Гироскопических эффектов

Обычно зеркало жидкости -зеркальный телескоп вращается вокруг двух осей одновременно. Например, зеркало телескопа на поверхности Земли вращается со скоростью несколько оборотов в минуту вокруг вертикальной оси, чтобы сохранить свою параболическую форму, а также со скоростью один оборот в день вокруг оси Земли из-за вращение Земли. Обычно (кроме случаев, когда телескоп расположен на одном из полюсов Земли), два вращения взаимодействуют таким образом, что в системе отсчета, которая является стационарной относительно локальной поверхности Земли, зеркало испытывает крутящий момент вокруг оси, которая перпендикулярно обеим осям вращения, т. е. горизонтальная ось, направленная с востока на запад. Поскольку зеркало жидкое, оно реагирует на этот крутящий момент изменением направления своего прицеливания. Точка в небе, на которую направлено зеркало, находится не совсем над головой, а немного смещена к северу или югу. Величина смещения зависит от широты, скорости вращения и параметров конструкции телескопа. На Земле смещение невелико, обычно несколько угловых секунд, что, тем не менее, может быть значительным в астрономических наблюдениях. Если бы телескоп находился в космосе и вращался для создания искусственной гравитации, смещение могло бы быть намного больше, возможно, на много градусов. Это усложнило бы работу телескопа.

Список жидкостных зеркальных телескопов

Исторически существовали различные прототипы. После возрождения интереса к этой технологии в 1980-х годах несколько проектов были реализованы.

UBC / Laval LMT, 2,65 м, 1992
NASA-LMT, 3 м, 1995–2002 гг.
LZT, 6 м, 2003–? (с 2019 г. выведен из эксплуатации)
ILMT, 4 м, тест 2011 г.

См. также

Список деталей и конструкции телескопа
Список типов телескопов
Ртутное стекло, посеребренные изнутри изделия из декоративного стекла, названные в честь их сходства с ртутью
Серебрение ртути, метод нанесения тонкого слоя драгоценного металла на объект из недрагоценных металлов
Вращающаяся печь, используемая для изготовления большого стекла зеркала
Космический телескоп с жидкостным зеркалом
Солнечная плита
Зеркальное отражение

Примечания

Ссылки

Внешние ссылки

Большой телескоп «Зенит» A 6- ртутный зеркальный телескоп диаметром в метр.