«Авантюра с самого начала»: что происходит с телескопом БТА

Специальная астрофизическая обсерватория РАН в Карачаево-Черкессии снова осталась без своего главного инструмента — большого азимутального телескопа (БТА), крупнейшего в Евразии оптического телескопа с шестиметровым зеркалом. Как стало известно в начале июня, несмотря на обновление на Лыткаринском заводе оптического стекла, первое зеркало, изготовленное для БТА еще в 1960–1970-е годы, осталось непригодным для наблюдений. Indicator.ru попытался разобраться в сложившейся ситуации.

42 тонны... проблем?

История телескопа БТА началась в 1960 году. На тот момент крупнейшим в мире оптическим телескопом был телескоп Хейла в США с зеркалом 5-метрового диаметра. В СССР решили побить рекорд. О том, насколько это была сложная задача, красноречиво свидетельствует тот факт, что, когда через 15 лет Специальная астрофизическая обсерватория (САО) с гигантским телескопом начала работу в горах Карачаево-Черкесии, рекорд еще не был обновлен. Только в 1990-х годах в мире были достроены телескопы с зеркалами больше — телескоп Кека в 1993 году (но в нем зеркало не цельное, а фрагментированное) и Very Large Telescope с четырьмя монолитными зеркалами по 8,2 м в 1998–2000 годах.

От советской науки и промышленности строительство телескопа потребовало создания новых технологий и инструментов. Академия наук выбрала место рядом со станицей Зеленчукской, целый ряд предприятий проектировал комплекс главного телескопа. Руководил работами конструктор Баграт Ионнисиани из Ленинградского оптико-механического объединения (ЛОМО). А местом отливки зеркал, в том числе и большого, «главного», зеркала, стал Лыткаринский завод оптического стекла в Подмосковье.

Проект подразумевал создание зеркала диаметром 6 м и толщиной 65 см. Изначально была спланирована и система разгрузок: опор, которые снимают нагрузку с круговой оправы и предотвращают изменение формы зеркала. Для опор предназначены 60 глухих отверстий на нижней стороне зеркала. Потому в штатной оправе стекло «плавает», и ни в одной его точке при разных положениях телескопа не возникает перегрузок и изменений формы.

Чтобы отлить заготовку зеркала, выполнить его отжиг и шлифовку, Лыткаринскому заводу пришлось за три года построить специальный цех. И гигантская стекловаренная печь, и форма для заготовки, и станок для шлифовки были созданы заново, прежде такого оборудования не было. Изначально заготовка весила около 70 тонн, но в процессе обработки с нее сняли около 28 т лишнего стекла, и к финалу ее вес составил чуть меньше 42 т. Точную обработку зеркала с шлифовкой до идеальной формы для обеспечения нужных оптических параметров проводили уже специалисты ЛОМО. Этот этап начался в 1968 году. В том же году остальные составные части телескопа начали перевозить на место строительства обсерватории.

Летом 1974 года огромная работа по изготовлению зеркала была завершена. Специалисты ЛОМО провели аттестацию несколькими методами (Гартманна, Фуко, фотометрическим, фотоэлектрическим, интерференционным) и подтвердили, что отклонения от заданной формы параболоида не превышают 0,5 мкм. Водным путем зеркало доставили в обсерваторию (причем сначала той же дорогой провезли муляж — потерять зеркало, на которое ушло 11 лет работы, при транспортировке было никак нельзя), установили в оправу.

42-тонный блин вышел комом.

Главной проблемой зеркала №1 оказалась не шлифовка и не искажения формы из-за оправы и температуры (а коэффициент теплового расширения стекла — главная головная боль при эксплуатации такой оптики), а изначально некачественная заготовка. Стекло первого зеркала БТА при остывании образовывало, по словам вице-президента РАН, бывшего директора САО Юрия Балеги, просто застывшую пену, «огромное количество пузырей внутри. И на срезанной поверхности эти пузыри давали ямы». С такими ямами — располировками — зеркало не отражает должным образом свет, и его эксплуатация невозможна. Уже к 1978 году Лыткаринский завод изготовил новое главное зеркало №2. Через год оно было установлено на телескоп и работало на нем почти 40 лет до 2018 года.

Планы и реальность

Светоотражающий слой зеркал телескопов сделан из алюминия. Его напыление тонким слоем до 100 нм производится прямо в штатной оправе в самой башне телескопа, потому что один раз эту операцию сделать недостаточно — алюминиевый слой нужно периодически обновлять. Вакуумную установку для алюминирования в САО установили одновременно с телескопом, и до 1995 года второе, работающее, зеркало алюминировали раз в пять лет. При этом остатки старого покрытия сначала нужно смыть, а затем напылить новое. Юрий Балега, руководивший обсерваторией в 1993–2015 годах, говорит, что из-за многократных смываний и напылений поверхность зеркала потеряла отражающие свойства на 40%, и оно требовало замены.

Как обновить такой сложный инструмент? На самом деле проект реконструкции БТА предусматривал обновление не только зеркала, но и всей механики. В 2004–2005 годах модернизировали систему управления телескопом и куполом, а затем впервые за 10 лет полностью алюминировали зеркало. Согласно отчету, был сделан вывод, что за год оно теряет в среднем 1% отражающей способности (это совпадает со словами Балеги, что за почти 40 лет работы отражающая способность ухудшилась на 40%).

Первоначальный проект реконструкции был довольно смелым — в прежнюю башню предполагали установить зеркало диаметром 8 м. При этом оно было бы существенно легче, чем «родное». После БТА для производства зеркал применялись новые материалы, например церодур (стеклокерамический материал на основе алюминия, кремния и лития). Изготовленные из него зеркала четырех телескопов VLT весят почти вдвое меньше, чем зеркало БТА. Это упрощает управление формой зеркала. Кроме того, у церодура ниже коэффициент температурного расширения, а значит, поддержание температурного режима в башне тоже становится проще.

Сколько могло стоить полностью новое зеркало? По данным отчета САО РАН, в 2003–2004 году, когда возможность его покупки всерьез рассматривалась с немецкой фирмой Schott и французской SAGEM-REOSC, общая стоимость могла достигнуть 20 млн евро. Это стоимость не самого зеркала, но всех работ по замене оправы и установке включительно. Максимальный курс евро в те далекие годы был чуть меньше 38 рублей, и значит, максимальная стоимость проекта могла составить 760 млн рублей.

В 2004 году РАН остановила работы по этому проекту: выделить такие деньги было невозможно. Вместо этого появился новый вариант — дошлифовать имеющееся в обсерватории первое зеркало, признанное непригодным еще в 1970-е годы.

Главный научный сотрудник САО Виктор Афанасьев, руководивший обсерваторией в 1985–1993 годах, говорит, что с самого начала выступал против замены зеркала на всех ученых советах. «История с зеркалом — это авантюра с самого начала. [...] И изначально было понятно, что переделать это зеркало таким образом нельзя, как нельзя изобрести вечный двигатель», — категорично заявляет астроном.

Однако проект был запущен, и первоначальная стоимость контракта обсерватории все с тем же Лыткаринским заводом оптического стекла (ныне в составе холдинга «Швабе» он входит в госкорпорацию Ростех) равнялась 118 млн рублей. В стоимость работ вошли реконструкция старых станков, использовавшихся при обработке зеркал в 1960–1970-е годы, собственно шлифовка и переполировка зеркала №1 и его установка в оправу на телескопе.

Как рассказывает Балега, планировалось снять с зеркала слой стекла толщиной около 8 мм: этого было бы достаточно, чтобы устранить располировки и улучшить отражающую поверхность. На вопрос, была ли тогда возможность изготовить на том же предприятии новое зеркало, вице-президент РАН отвечает с горьким смешком: «У нас страна ничего не построила в области астрономии за полвека, ни одного большого телескопа, ни одного инструмента! Да и нет смысла делать новое зеркало по старым технологиям».

Подготовка к проекту началась в 2004 году, а в 2007 году, по словам Валерия Власюка, ныне директора, а тогда — заместителя директора САО, на обновление зеркала было выделено около 150 млн рублей. Старое зеркало поехало в Лыткарино тем же путем, каким его когда-то привезли, — по воде на баржах.

Деньги должны быть поступать ежегодно, но начались задержки, и в результате в 2010 году шлифовка еще даже не была начата. Формально зеркало находилось на обновлении 11 лет, но большую часть этого времени оно простаивало в цеху. При этом расходы постоянно росли из-за того, что простой цеха тоже не бесплатный: в нем нужно поддерживать нужную для зеркала температуру. Итоговая цена проекта значительно превысила и изначальные 118, и запланированные в 2007 году 150 млн рублей. По словам Виктора Афанасьева, цена вопроса колеблется от 150 до 250 млн рублей.

Замена №1

В 2018 году переполированное зеркало наконец-то доставили назад в САО РАН (на этот раз его везли, кстати, уже исключительно по автомобильным дорогам в специальных трейлерах), демонтировали зеркало №2, установили обновленное, начали тестовые наблюдения — и обнаружили новые проблемы вместо устраненных. Оказалось, что поверхность зеркала слишком серьезно отклоняется от ожидаемой формы. Вместе с остаточными располировками (полностью от них избавиться не удалось) поверхность искажена кольцевыми следами от полировального инструмента и другими несовершенствами, и исправить их все с помощью регулировки 60 опор, между которыми распределен колоссальный вес зеркала, невозможно.

Алюминирование зеркала, хоть и было проведено по обновленной технологии — аппарат напыления автоматизировали и заменили насосы на современные безмасляные, — тоже не решило проблем с поверхностью. Виктор Афанасьев сравнивает два зеркала однозначно не в пользу обновленного. Зеркало №2, по его словам, абсолютно пригодно для работы, и, если на него нанести такой же качественный слой алюминия, как на зеркало №1, оно будет прекрасным инструментом. Сейчас же по показателю коэффициента отражения обновленное зеркало на 5% лучше прежнего. «Но для астрономов же важен не только коэффициент отражения! — говорит Афанасьев. — Важен и размер звезды на регистраторе, для наблюдения малых объектов это важно. И обновленное зеркало по этому показателю хуже приблизительно в пять раз, чем предыдущее, и в три раза не соответствует техническому заданию».

По техническому заданию отклонение поверхности зеркала от расчетной формы не должно было превышать 0,2 длины волны на 632,8 нм — то есть не более 130 нм. По оценкам астрономов, сейчас отклонения достигают 250 нм. Почему же не удалось отшлифовать зеркало?

По мнению сотрудников обсерватории, проблема возникла из-за неправильной системы контроля поверхности зеркала на заводе. «Такой же механизм разгрузок, как при работе телескопа в штатной оправе зеркала, должен использоваться на заводе при контроле поверхности, — говорит заместитель директора САО по научной работе (оптический сектор) Дмитрий Кудрявцев. — К сожалению, с 1970-х годов эта система была утрачена. Вместо этого контроль поверхности на заводе проходил на системе разгрузки типа «лента» — зеркало подвешивалось на металлической ленте. Предполагалось, что все деформации будут учтены с помощью компьютерных расчетов. Но уже на телескопе обнаружились значительные отклонения, и они — основная причина, почему мы пока не приняли зеркало, и, по-видимому, его придется дорабатывать в дальнейшем».

Действительно, в отчете Лыткаринского завода о возможностях модернизации главного зеркала говорится, что за время хранения гидросистема технологической разгрузки утратила работоспособность, но «современные численные методы дают возможность проанализировать возникающие деформации рабочей поверхности ГЗ БТА при оптическом контроле зеркала в ленте подвеса [...] и учесть эти деформации при принятии технологических решений для назначения сеансов доводки рабочей поверхности зеркала». По мнению астрономов, расчеты оказались ошибочными и учесть все возникающие на ленте деформации не удалось.

Замена №2?

Юрий Балега говорит, что САО не может в одностороннем порядке принять решение о непригодности зеркала. «Пока преждевременно кричать и бить в набат, что сейчас Ростех и промышленность сделали хуже, чем было полвека назад. Акты приемки зеркала пока не подписаны, оно в работе». По словам вице-президента РАН, оценкой зеркала должна заняться специальная комиссия из представителей обсерватории, Лыткаринского завода оптического стекла, ЛОМО и других организаций. И только после утвержденной комиссией оценки можно будет решить, заменять зеркало на старое или нет. Из обсерватории, впрочем, появились предварительные свидетельства, что зеркало будет заменено. Виктор Афанасьев отмечает, что астрономы уже потеряли год без работающего телескопа, ведь замена зеркал началась еще в мае 2018 года. «Изначально мы говорили, что в обсерватории зеркало не показывает то же качество, которое оно показывало в цеху. Мы год воевали с этими так называемыми специалистами, чтобы доказать — нет, не годится зеркало. В итоге деньги потрачены впустую, техническое задание не выполнено. Мы потеряли год, получили репутационные издержки, потеряли финансы».

Что будет с обновленным зеркалом дальше? Есть ли смысл работать с ним еще? Дмитрий Кудрявцев считает, что есть. «Единственный вариант, который я вижу, — изготовление имитации штатной оправы телескопа на заводе и его контроль и дополировка уже с помощью этой системы разгрузок». Если будет устранена проблема с формой поверхности, обновленное зеркало вполне может стать рабочим инструментом. Но согласен ли с этим завод? И кто профинансирует работы по оборудованию цеха новым механизмом разгрузок, если до этого дойдет?

Редакция Indiсator.Ru на протяжении нескольких недель пыталась получить комментарий от представителей холдинга «Швабе», но сделать этого так и не удалось.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.