Один из вариантов решения этой проблемы — применение фотоэлектрического гида-авто-мата, позволяющего даже при не слишком качественном редукторе привода полярной оси получать снимки с любыми выдержками, не прикасаясь к органам управления часового механизма, а о понятии "периодическая ошибка" вообще забыть.
Оптическая схема построенного автором гида довольно проста. Свет фокусируется объективом на диагональном зеркале, в отражающем покрытии которого сделана узкая щель, ориентированная так, что по всей длине она находится в фокальной плоскости. Если изображение звезды проецируется на щель, то весь световой поток от нее проходит сквозь зеркало и поступает на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Если изображение звезды находится рядом со щелью, то свет отражается от зеркала и фокусируется оборачивающей системой во второй фокальной плоскости, где расположено подсвечиваемое светодиодом перекрестие, а затем через окуляр попадает в глаз наблюдателя. Таким образом, наблюдатель видит одновременно изображение участка звездного неба, освещенное перекрестие и темную "фоточувствительную" щель, в которую "проваливается" свет звезд, попадающий на фотоумножитель.
Сигнал с ФЭУ через усилитель поступает на электронный регулятор, который управляет скоростью двигателя часового привода. Чувствительность усилителя устанавливается перед началом гидирования в соответствии с блеском ведущей звезды таким образом, что номинальной скорости соответствует половина светового потока от звезды. Если в щель погружается больше половины изображения звезды, то скорость двигателя начинает увеличиваться, если меньше половины — уменьшаться. В результате звезда все время удерживается системой авторегулирования на границе щели.
Таким образом, гидирование по часовому углу полностью автоматизировано, хотя коррекции по склонению приходится делать вручную. Однако смещение по склонению, независимо от того, вызвано ли оно неточностью установки полярной оси или атмосферной рефракцией, происходит медленно и почти с постоянной скоростью. Поэтому ручная коррекция может производиться нечасто, через примерно одинаковые промежутки времени, скажем, раз в 5-10 минут.
Столь комфортные условия работы позволяют значительно снизить требования к параметрам оптики гида. Многие авторы рекомендуют использовать для гида настолько большие диаметры объектива и фокусные расстояния, что его размеры оказываются никак не меньше основного фотографического телескопа. В нашем случае, когда нет утомления глаз наблюдателя, можно обойтись гидом с заведомо худшими параметрами, выбрав разумное увеличение и толщину нитей перекрестия окуляра. Если нити перекрестия сделать достаточно тонкими, изображение звезды при правильном гидировании будет разбиваться перекрестием на равные части, как это показано на рисунке. Малейшее смещение ведущей звезды вызовет изменение относительной яркости этих частей, легко заметное глазом даже при небольшом увеличении.
Фотоэлектрический гид автора построен на базе оптики от трубы "Турист-3". Объектив диаметром 50 мм имеет фокусное расстояние около 350 мм. Оборачивающая система удлиняет эквивалентный фокус до 810 мм, что дает 45-кратное увеличение с 18 мм окуляром. Ширина щели в зеркале — 0.1 мм, что соответствует 60" на изображении. Для изготовления щели на алюминированное зеркало был нанесен тонкий слой защитного лака, на котором с помощью бритвенного лезвия была сделана царапина. Впоследствии эта царапина была протравлена каплей кислоты, а лак удален растворителем. Можно воспользоваться и другими способами, важно лишь, чтобы края щели были четкими, то есть ширина переходной зоны от полного отражения к полному пропусканию была меньше размера изображения звезды. Видимая толщина нитей перекрестия составляет примерно 5", и для его изготовления были использованы капроновые волокна диаметром 20 мкм. Перекрестие смещено немного в сторону от щели, что позволяет при желании производить гидирование вручную, с выключенной автоматикой.
Небольшой диаметр объектива может затруднить выбор ведущей звезды достаточного блеска вблизи центра кадра, поэтому конструкцией гида предусмотрен его поворот относительно оптической оси фотографического телескопа на угол до 10° и жесткая фиксация в выбранном положении. При соблюдении некоторых условий, в частности, при достаточно точной установке полярной оси, такой поворот не сильно ухудшает качество гидирования.
Главный элемент электрической схемы гида — 12-каскадный фотоумножитель ФЭУ-130, который имеет чувствительность 100А/лм при напряжении питания 1700 В и обладает умеренными габаритами (его длина 90 мм). Первый каскад на операционном усилителе (ОУ) DA1 преобразует ток ФЭУ в напряжение, которое усиливается каскадом на ОУ DA2 до нормированной величины (половине светового потока от звезды соответствует напряжение -1В на выходе DA2). Чтобы это напряжение не зависело от блеска звезды, усиление регулируется сдвоенным переменным резистором R19 в довольно широких пределах.
На ОУ DA3.1 собран так называемый пропорционально-интегральный регулятор, параметры которого определяют быстродействие и устойчивость системы. На выходе регулятора формируется напряжение от -3В до +3В, непосредственно управляющее скоростью двигателя часового привода, причем указанному диапазону напряжений соответствуют скорости от 0.5 до 1.5 номинальной. Благодаря наличию интегрирующей емкости С5, в системе отсутствует статическая ошибка, т.е. если в результате действия медленно меняющегося возмущения (например, периодической ошибки редуктора) от двигателя потребуется скорость, отличная от номинальной, это не вызовет смещения центра ведущей звезды с края щели. Емкость С5 при этом будет заряжаться, а скорость двигателя будет увеличиваться или уменьшаться до тех пор, пока входное напряжение регулятора не сравняется с эталонным значением -1В, заданным резистором R25.
На ОУ DA3.2, зеленом (HL1) и красном (HL2) светодиодах собрано устройство индикации. Правильной работе системы в режиме автогидирования, когда в щель попадает половина света ведущей звезды, соответствует одинаковая яркость свечения зеленого и красного светодиодов. При погружении звезды в щель возрастает яркость красного светодиода, а при выходе из щели — зеленого. Выключение автогидирования приводит к уменьшению чувствительности индикатора вдвое в результате изменения полярности управляющего напряжения на входе "Ручн./Авт.". Теперь при правильной настройке усиления схемы одинаковой яркости светодиодов соответствует световой поток от всей звезды. Выбрав подходящую для гидирования звезду, наблюдатель в режиме ручного управления загоняет ее в щель целиком и с помощью переменного резистора R19 устанавливает одинаковую яркость зеленого и красного светодиодов. Затем при переключении в режим автогидирования выход регулятора подключается к двигателю, скорость двигателя меняется, и происходит захват звезды краем щели.
В своем часовом приводе автор применил шаговый двигатель, на который подаются импульсы с генератора, управляемого напряжением. Возможно также использование коллекторного электродвигателя постоянного тока с соответствующим усилителем мощности, важно лишь, чтобы скорость двигателя менялась пропорционально подаваемому на него напряжению.
В самом телескопе-гиде размещены только ФЭУ вместе с резисторами R4...R16 и первый каскад на ОУ DA1. Остальные компоненты схемы находятся в электронном блоке, установленном на неподвижной части монтировки, и соединены с гидом кабелем с многоконтактным разъемом. Здесь же расположен источник питания ФЭУ, представляющий собой стабилизированный импульсный преобразователь с выходным напряжением -1700В, которое подается на ФЭУ по тщательно изолированному проводу через отдельный разъем, защищенный от влаги резиновым уплотнителем. ФЭУ и первый каскад усиления экранированы алюминиевым корпусом гида, который соединен как с общим проводом схемы, так и с землей (через металлические части монтировки).
Любая система автоматического регулирования может оказаться неустойчивой, если при выборе ее параметров не учитывать инерционность составляющих систему компонентов. Неустойчивость проявляется в виде возникновения самопроизвольных колебаний, которые при определенных условиях могут стать незатухающими (произойдет самовозбуждение), что делает систему вообще непригодной к использованию.
В нашем случае инерционность системы регулирования связана с наличием в ней фильтров, необходимых для подавления шумов ФЭУ и наиболее быстрых мерцаний ведущей звезды, а также с действием интегрирующей емкости С5. Устойчивость достигается введением в регулятор наряду с интегрирующим еще и пропорционального звена, степень влияния которого определяется сопротивлением R26.
Строго говоря, параметры элементов собранного на ОУ DA3.1 регулятора должны рассчитываться по специальной методике, чтобы обеспечить и устойчивость, и хорошую точность регулирования. При этом наряду с инерционностью каскадов электронной схемы надо учитывать параметры механической части устройства. Характеристики системы зависят от размера изображения ведущей звезды (но не от ее блеска!), от склонения звезды и от диапазона развиваемых двигателем скоростей (в нашем случае от 0.5 до 1.5 скорости суточного вращения). Указанные на схеме номиналы компонентов обеспечивают устойчивую работу при склонениях от 0 до 75° и диаметрах изображения звезды от 3" до 8". В случае замены шагового двигателя на коллекторный необходимо также учесть инерционные свойства двигателя, поэтому параметры регулятора, возможно, придется скорректировать.
Чувствительность ФЭУ при указанных на схеме номиналах позволяет с 50 мм объективом гидировать по звездам от 0m до 5m. Больше повышать чувствительность нет смысла, поскольку более слабые звезды недостаточно хорошо видны в окуляр для точной ручной коррекции по склонению. Что касается точности гидирования, то при спокойной чистой атмосфере вообще незаметно каких-либо смещений звезды относительно края щели (при этом изменения скорости двигателя, отрабатывающего ошибки некачественного редуктора, могут быть заметны даже на слух!). При сильном мерцании, а также при ветровых нагрузках на монтировку, конечно, появляются ошибки гидирования, но они все равно не превышают долей видимого диска звезды. Сбой гидирования происходит, только если появляются облака или дымка, ослабляющая блеск ведущей звезды более чем вдвое.
Фотоэлектрический гид безотказно работает у автора с 1994 года. За это время он использовался совместно с фотографическими телескопами с фокусным расстоянием от 0.6 до 1.6 метра. Практика показала, что точность гидирования ограничена не работой автоматики, а ручными коррекциями по склонению, и составляет примерно 4".
К сожалению, подобные устройства пока редко используются российскими любителями астрономии (автору известно только одно сообщение о гиде с аналогичным принципом действия — статья Б. Н. Пустыгина в журнале "Земля и Вселенная" №4 за 1997 г.), хотя они резко снижают трудоемкость астрофотографии с длительными выдержками и позволяют свести к минимуму требования к механическим узлам монтировки. А ведь устройство на базе ФЭУ вполне доступно для самостоятельного изготовления.
Бахтинов Павел Иванович — любитель астрономии из г. Самары.
