В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся] - Рудольф Сворень

Уникальный телескоп БТА создавали многие научные коллективы, многие предприятия страны, головной организацией было Ленинградское оптико-механическое объединение — ЛОМО.

Создателям БТА пришлось заново решать многие конструкторские, технологические, производственные, организационные задания, много раз приходилось переходить границу неизвестного. О некоторых деталях этой огромной работы рассказывает главный конструктор телескопа, лауреат Ленинской премии, доктор технических наук Баграт Константинович Иоаннисиани:

— Рассказывая о разработке и создании БТА, часто приходится произносить слово «впервые» — многие задачи конструкторам и технологам до этого вообще не приходилось решать, принятые решения не имеют аналогов, другие в мировой практике решались совсем по-иному. Ну и, наконец, размеры инструмента придавали любой проблеме новое качество.

Возьмем, к примеру, монтировку. До сих пор для крупных телескопов всегда выбиралась только экваториальная монтировка, при которой ось инструмента параллельна земной оси, т. е. во всех случаях, для всех мест установки телескопа, кроме полюсов Земли, его ось располагается наклонно. Достоинства такой монтировки — при отслеживании звезды труба телескопа совершает сравнительно несложное вращательное движение. Для БТА была выбрана азимутальная монтировка, точнее, одна из ее разновидностей — альтазимутальная. Этот выбор настолько важен, что система монтировки вошла в название самого телескопа — БТА означает «большой телескоп азимутальный».

При азимутальной монтировке резко упрощается конструкция телескопа, так как его ось перпендикулярна земной поверхности, иначе говоря, инструмент стоит вертикально, стоит на земле. При этом, правда, отслеживая звезду, приходится выполнять очень сложное перемещение трубы телескопа, одновременно поворачивая ее вокруг двух взаимно перпендикулярных осей — вертикальной и горизонтальной. Только современные электронные системы, включая быстродействующие ЭВМ, позволили решить эту задачу и тем самым сделали азимутальную монтировку реальностью. А она в свою очередь сделала простой и изящной кинематическую схему телескопа, его конструкция стала жесткой, симметричной, компактной, резко улучшились условия разгрузки главного зеркала.

Основную нагрузку шестисоттонной подвижной части (это добрых полтора десятка товарных вагонов) взяли на себя масляные подшипники. Подвижная часть инструмента — труба с главным зеркалом и другой оснасткой — как бы плавает на масляной пленке толщиной 0,15—0,18 мм. Систему подвеса трубы характеризуют такие цифры: чтобы повернуть всю эту махину, достаточно небольших усилий одного человека (при длине рычага 6 м). Для вращения трубы используются уникальные червячные пары (диаметр червячного колеса—5,6 м), которые и при чрезвычайно малых скоростях (1 оборот за 3 месяца) обеспечивают высокую плавность движения. В сочетании с совершенной электроникой все это позволяет автоматически навести телескоп в заданную точку с точностью до нескольких угловых секунд и отслеживать звезду с точностью до 0,1" (под таким углом видна копейка с расстояния 20 км).

Огромный комплекс сложных задач пришлось решить, добиваясь стабильности основных характеристик главного зеркала. В системе его разгрузки используется 60 механизмов, которые входят в отверстия, точно высверленные в тыльной стороне зеркала. Разгрузка рассчитана и выполнена так, что деформации, вызванные прогибами зеркала в любом его рабочем положении, не превышают 0,000 009 4 мм. Многое сделано, чтобы обеспечить постоянство температуры в башне телескопа: многослойные стены и купол, многослойные перекрытия со змеевиками, по которым идет хладоноситель, системы принудительного воздушного охлаждения телескопа и термостатирования — все это сводит к минимуму тепловые деформации главного зеркала.

То, что делается впервые, всегда сопряжено с риском, но его, конечно, стараются свести к минимуму, особенно когда речь идет о таком сложном и дорогом сооружении, как БТА. Поэтому основные технические решения тщательно взвешивались, просчитывались, прорабатывались теоретически, рассматривались все разумные их варианты. Все, что можно было предварительно проверить, проверялось. В частности, для этого был построен макет БТА — действующий телескоп с диаметром зеркала 60 см. На нем отрабатывалась система управления и подтвердилась жизненность смелой, если не сказать дерзкой, идеи азимутальной установки большого телескопа. Тщательные экспериментальные исследования предшествовали самому выбору места постройки БТА. Немало поработали имитаторы главного зеркала и при предварительной сборке телескопа на заводе, и при репетициях перевозки зеркала из Подмосковья на Кавказ. Несмотря на все это коллективы, создавшие БТА, сотни раз проходили через напряженное «как получится?», и самой высокой наградой для всех участников этой многолетней напряженной работы стал сам факт создания уникального астрофизического инструмента.

Примерно в то же время, когда вступил в строй БТА, крупнейший в мире оптический телескоп в Зеленчукской, в той же Специальной астрофизической обсерватории АН СССР начал работать и другой уникальный инструмент — РАТАН-600. Название это расшифровывается так: «Радиотелескоп Академии наук диаметром 600 м». Эти «600 м» относятся к кольцу, собранному из 895 подвижных алюминиевых отражателей, каждый размером 2x7,5 м. Та или иная часть огромного кольца («та или иная» в зависимости от участка неба, на который нужно «посмотреть») — это рефлектор радиоприемной антенны, выполняющий в принципе ту же работу, что и зеркало БТА. Рассчитан РАТАН на прием радиоволн (их, так же как и свет, излучают небесные тела) длиной от 8 мм до 30 см. По комплексу характеристик — чувствительности, диапазону волн, разрешающей способности, размерам рефлектора, управлению его диаграммой — этот инструмент не имеет равных в мире.

Микрорассказы про волны и фазы, а также про яблоко на Луне, сверхсветовые скорости и зеркало „Бонн-Бостон-Симеиз“

Совершенные методы радиоастрономии позволяют изучать детали астрофизических объектов, находящихся на краю видимой Вселенной.

Все агрегаты этой гигантской машины, разбросанные по разным континентам, должны работать согласованно, синхронно — такова сверхзадача. Причем синхронность нужна высочайшая, ее даже представить себе трудно, пользуясь нашими житейскими мерками времени: в одном из режимов каждый цикл машины длится около 4·10-11 с; за это время синхронизм в работе агрегатов — а между ними тысячи километров — должен поддерживаться с точностью в среднем до 10 12 %, по абсолютному значению до 10-25 с.

Как почувствовать, что стоит за этим «с точностью до…»? Как связать их с чем-нибудь знакомым? Автомобиль, который проносится мимо вас с недозволенной скоростью 120 км/ч, за 10-25 с пройдет расстояние (если это можно назвать расстоянием) порядка 10~20 мм, что в тысячу миллиардов раз меньше размеров самого маленького атома. Даже свет (свет!) за 10-25 с пройдет всего 0,000 000 000 000 03 мм. Теперь о процентах: 10-12 % объема Азовского моря — это банка воды; если часы, идут на 10-12 % быстрее, чем нужно, то за полмиллиона лет они уйдут вперед на 1 с.

Ко всему еще сверхточная машина должна обходиться чрезвычайно малыми порциями сырья — она перерабатывает радиосигналы, общая мощность которых примерно 10-18 Вт. Это в тысячу раз меньше, чем досталось бы одной квартире, если бы на освещение всех домов Земли расходовалась мощность одной горящей спички.

Упоминание о сырье в виде радиосигналов уже, наверное, приподняло завесу над таинственной межконтинентальной машиной. Сейчас это дело будет доведено до конца — речь идет об уникальном радиотелескопе, точнее, о радиоастрономическом комплексе, в который в разное время входили радиотелескопы разных стран. Ниже будет коротко сообщено о том, для чего создаются такие комплексы. Но прежде в порядке повторения пройденного два микроскопических рассказа на общие темы.

Микрорассказ первый: про волны. Среди бессчетного множества процессов, которые происходят в природе, физики сочли необходимым выделить несколько особых групп. В их числе волны. Независимо от физической природы — волны могут быть электромагнитные, механические, гравитационные — все они имеют общие черты. В частности, разбегаясь от места своего рождения, волны переносят не только энергию, но и информацию о тех процессах, которые их создали. Именно поэтому эволюция снабдила многочисленные свои творения разнообразными волноприемниками, волноулавливателями, вооружив тем самым живые организмы приборами для изучения окружающей обстановки. Неплохая аппаратура досталась и человеку: сверхчувствительный приемник световых волн — зрение и сверхчувствительный приемник акустических волн — слух. (Слух, кстати, в дальнейшем стал технической базой для языкового общения людей, для развития речи, а речь в свою очередь привела к поразительному совершенствованию нашего природного компьютера, к отработке новой системы мышления, где к предметам и явлениям привешены лаконичные бирки-слова. И все это началось с приемника звуковых волн…)