LES TELESCOPES DOBSON TYPE OBSESSION JP. Maratrey janvier 2003 Le télescope «Dobson», du nom de son inventeur, est un instrument à montage optique Newton : l image du miroir primaire parabolique est renvoyée à l extérieur et en haut du tube par un miroir secondaire plan, incliné à 45. La monture d un Dobson est azimutale, c est-à-dire que l instrument peut être déplacé selon les coordonnées azimut et hauteur. David Kriege a énormément fait évoluer ce type d instrument en y apportant des améliorations décisives, par l étude approfondie de l optique et de la mécanique du télescope. La société qu il a créé s appelle «Obsession» et est connue et reconnue par tous les amateurs. Les améliorations qu il a apporté ont permis de mettre à la disposition des observateurs des télescopes de grand diamètre, devenus transportables et manipulables, mais aussi abordables au niveau du coût. Les points forts des télescopes Obsession sont, parmi les plus spectaculaires : - L étude des matériaux utilisés (qualité du bois, aluminium ), pour leurs propriétés mécanique, leur résistance à l humidité, aux variations de température - Le centre de gravité est bas, l instrument est plus stable, l oculaire moins haut. - Les masses sont équilibrées. Le centre de gravité se trouve sur l axe de rotation en hauteur. Les mouvements sont facilités. - Les solutions retenues pour maîtriser les phénomènes de friction donnent des mouvements particulièrement faciles et fluides. - Le montage est rapide. Pas besoin du moindre outil. - L ensemble est d une finition excellente, très soignée, le côté esthétique n est pas à négliger. Nous passerons en revue ces principales caractéristiques : - Données générales - Optiques et supports - Equilibrage - Tube - Friction - Accessoires optionnels page 1
Données générales Obsession fabrique en standard des télescopes de 15 à 30 pouces. De plus gros diamètres sont fabriqués sur demande. Le tableau suivant donne les caractéristique de ces 5 instruments : 15 18 20 25 30 Diamètre (mm) 381 457 508 635 762 Focale (m) 1,715 2,057 2,540 3,175 3,400 F/D 4,5 4,5 5,0 5,0 4,5 Support du miroir primaire 9 points 18 points 18 points 18 points 27 points Obstruction (% du diamètre) 17,3 17,2 15,5 14,0 15,0 Résolution théorique à 550 nm ( ) 0,36 0,30 0,27 0,22 0,18 Magnitude limite 15,5 16,0 16,5 17,0 17,5 Hauteur de l oculaire au zénith 1,68 1,96 2,44 3,05 3,35 Prix nu HT ($) 3 495 4 695 5 295 8 495 13 995 A noter le faible rapport F/D qui destine plus particulièrement ces télescopes au ciel profond, mais n exclue pas de bonnes performances en planétaire. Jupiter à 500 ou 600 fois de grossissement demande un excellent ciel, mais fournit une image superbe. Cette remarque est appuyée par la faible obstruction (14 à 17%), qui limite la perte de contraste aux forts grossissements, comparativement aux Schmidt-Cassegrain par exemple. La résolution réelle sera quant à elle toujours limitée par la qualité du ciel et la turbulence. Ce schéma présente l architecture générale d un Obsession. On remarque la position basse de la boîte du miroir primaire (Miror box) et du support du tube (Rocker), le large axe de hauteur (Side bearing), le tube type Serrurier (Truss poles), la cage du secondaire (secondary cage), et le mécanisme de transport style brouette (Wheelbarrow wheel). page 2
Optiques et supports Les Obsessions sont livrés avec des miroirs primaires de qualité des marques Nova, Galaxy ou Torus. Ils sont garantis minimum quart d onde PTV. Leur transmission est de 88 % à 550 nm, et peut être portée sur demande, et moyennant supplément de prix, à 96% par un traitement de surface amélioré. L épaisseur est de 2 soit environ 50 mm. Ils demandent donc un supportage de qualité. Ces images montrent le barillet arrière du miroir primaire à 18 points. Le système est calculé pour que chaque point supporte exactement le même poids du miroir. Le supportage est flottant (les triangles peuvent bouger autour de leur axe central) et permet de compenser les déformations dues à l orientation du miroir. La collimation se fait à l aide d un outil laser, et par 3 vis poussantes-tirantes d accès aisé visibles sur la photo. On note également un ventilateur pour aider la mise en température du miroir. Le tableau de la page précédente donne le nombre de points de supportage du miroir primaire, en fonction de son diamètre. Lorsque le miroir est vertical, il est supporté par un ruban métallique qui l enserre sur sa tranche. Ainsi, chaque point du ruban supporte une force proportionnelle au poids du miroir. page 3
Les miroirs secondaires fournissent une obstruction faible, et sont d excellente qualité. Ils sont garantis λ/10 minimum et ont une transmission de 98% à 550 nm. Le miroir secondaire est positionné de façon à tenir compte de l «offset» montré sur le schéma ci-contre. La collimation est réalisée, comme pour le primaire, par 3 vis poussantes-tirantes. page 4
Equilibrage Un obsession a un centre de gravité situé sur l axe de rotation de hauteur. Afin de réaliser cet équilibre, la somme des moments des forces exercées à gauche de ce point est égale à la somme des moments des forces exercées à droite. Mais avant d entrer dans le détail, voyons comment fonctionne une balance : P1 P2 d1 d2 Pour que la balance soit en équilibre, il faut P1 x d1 = P2 x d2 (1) Autrement dit, le moment des forces P1 x d1 à gauche du pivot est égal à celui P2 x d2 à droite du pivot. Comme d1 = d2 dans ce cas, il faut P1 = P2. P1 P2 d1 d2 Dans cet autre exemple, comme d1 est plus petit que d2, P1 doit être plus grand que P2 en respectant l égalité (1) Dans le cas du télescope, c est donc la somme des moments des forces qui doit s équilibrer : page 5
Il faut donc mesurer les valeurs suivantes : W sc = poids de la cage du secondaire d sc = distance entre le centre de gravité du télescope et le centre de gravité de la cage du secondaire W tt = poids des tubes d tt = distance entre le centre de gravité du télescope et le centre de gravité des tubes W mb = poids de la cage du miroir primaire (sans le miroir) d mb = distance entre le centre de gravité du télescope et le centre de gravité de la cage du primaire W m = poids du miroir d m = distance entre le centre de gravité du télescope et le centre de gravité du miroir W mc = poids du support du miroir d mc = distance entre le centre de gravité du télescope et le centre de gravité du support du miroir Voyons un cas concret : Support Miroir Cage primaire Tubes Cage secondaire Contrepoids Centre de gravité Contrepoids Support primaire Miroir primaire Cage primaire Tubes Cage secondaire Télescope non équilibré Poids P (kg) 0 4 12 6 3 5 Distance au centre d (mètres) 0,5 0,45 0,4 0,3 1 2 Moment m 0 1,8 4,8 1,8 3 10 Equilibre des moments 8,4 13 Nous notons immédiatement un déséquilibre si aucun contrepoids n est installé. La valeur du poids à ajouter sous le support du miroir se calcule ainsi (rappelons que le moment m = d x P) : Différence des moments des forces à combler : 13-8,4 = 4,6 Valeur du contrepoids : 4,6 / 0,5 = 9,2 kg Contrepoids Support primaire Miroir primaire Cage primaire Tubes Cage secondaire Télescope équilibré Poids P (kg) 9,2 4 12 6 3 5 Distance au centre d (mètres) 0,5 0,45 0,4 0,3 1 2 Moment m 4,6 1,8 4,8 1,8 3 10 Equilibre des moments 13 13 page 6
Si l on veut éviter l ajout d un contrepoids, il faut alléger de l autre côté. Le plus simple est de travailler la cage du secondaire en lui enlevant 2,3 kg (4,6 / 2). Ce qui revient à diviser son poids par 2 ou presque! Ajouter un oculaire pesant 1 kg de plus qu un oculaire standard (cas du Nagler grand champ de 20 mm ) revient à alourdir le fond de la cage du primaire de 4 kg pour conserver l équilibre. Autre exemple : le tissus opaque vendu en accessoire par Obsession, et dont le poids d environ 1 kg se répartit autour des tubes, entraîne un rééquilibrage de 2 kg en guise de contrepoids. Au vu des longueurs propres à ce type de télescope, il y a tout intérêt à alléger au maximum les tubes et la cage du secondaire. Se méfier également des oculaires lourds et accessoires divers, qui nécessitent un contrepoids derrière le miroir primaire. page 7
Le tube Il est de type serrurier, ouvert, et réalisé en aluminium creux. La disposition des tubes est faite de telle sorte qu ils travaillent en compression ou en étirement, et non pas en flexion. Cas des tubes parallèles : le poids de la cage du secondaire leur apporte une flexion. La déformation est exagérée sur ce schéma mais existe réellement et déforme l ensemble. Poids de la cage du secondaire Flexion Dans le cas du tube de type Serrurier, les tubes travaillent en compression ou en étirement. Les déformations existent mais sont infiniment moins importantes que dans le cas de la flexion. Il est plus facile de plier une barre métallique que de l allonger! Poids de la cage du secondaire Etirement Compression Cette solution de rigidité existe depuis fort longtemps et a été reprise par Obsession. Elle a également l avantage de la légèreté. Il existe des bandes de tissus opaques déjà cités, se positionnant autour des tubes, pour le transformer en tube fermé, et limiter les lumières parasites. page 8
Les fixations du tube sur la cage du primaire et sur la cage du secondaire ont également fait l objet d une sérieuse étude et d essais de plusieurs solutions. Les plus simples sont les meilleures, les images suivantes en disent plus long qu une explication écrite. Pour la partie inférieure, reliée à la cage du primaire, les fixations des tubes sont en bois. Le maintien est assuré par le bois, en serrant à la main la vis visible sur la photo. En partie haute, les tubes sont maintenus deux à deux dans un profilé en aluminium. Le calage se fait à l aide d une came qui vient pousser les tubes contre le profilé. A noter enfin que les tubes sont recouverts d une mousse légère. Cela permet d une part d éviter les lumières parasites, et d autre par d y laisser une main collée par le froid. page 9
Les frictions Les mouvements fluides, faciles des télescopes Obsession sont dus au soin particulier apporté à l étude des frictions entre les parties mobiles de l instrument. Pour orienter le télescope, il faut faire glisser deux surfaces l une sur l autre. Il existe une résistance à ce glissement, qui dépend de la nature des matériaux. C est le coefficient de friction ƒdéfinit comme suit : ƒ = F / P Dans le cas d un objet posé sur une surface plane : Mouvement de déplacement F Poids P La force F = ƒ x P à appliquer pour déplacer l objet est proportionnelle à son poids P et au coefficient de friction ƒ, lui-même dépendant de la nature des matériaux en contact. Ce phénomène est connu de ceux qui recherchent le mouvement perpétuel. En général, les forces de frottement qui ne sont jamais nulles arrêtent finalement toujours leur machine. A noter que la friction est indépendante de l aire en contact. Dans le cas d un télescope, la force à appliquer ne doit pas être nulle, on ne doit pas rechercher des mouvements sans friction. Le poids du télescope étant ce qu il est, il faut jouer sur ƒ, donc sur la nature des matériaux en contact pour trouver le bon compromis entre un télescope qui n arrête pas de bouger (friction nulle), et un instrument à déplacer difficilement, à mouvements saccadés (friction trop forte). Comme la friction est indépendante de la surface de contact, il est inutile de chercher à l augmenter. Des pastilles de contact de quelques centimètres suffisent. Il existe deux sortes de friction. Dans le cas de notre objet posé sur une surface plane, il faut fournir, pour initier le déplacement, une force supérieure à celle nécessaire à entretenir le mouvement, une fois l objet lancé. La différence s explique par l existence de deux coefficients de friction. Le coefficient de friction statique résiste au démarrage de l objet, le coefficient de friction dynamique résiste à l entretien du mouvement. page 10
En règle générale, les coefficients de friction statique et dynamique sont très différents, le premier étant supérieur au second. La conséquence pour un télescope «ordinaire», est la suivante : l astronome amateur cherchant à déplacer le télescope, exerce une force en haut du tube de plus en plus forte, jusqu à ce que le mouvement s amorce. Une fois démarré, la force devient très supérieure à celle requise pour entretenir le mouvement, et le télescope file au delà de la position recherchée. Sachant que ce phénomène existe dans le sens azimut et dans le sens hauteur dans des proportions souvent différentes, il y a de quoi baisser les bras. Sans compter que souvent, la force initiale suffit à déformer la pastille de frottement. L objet est dans l oculaire, mais dès que l on relâche la pression sur le tube, il revient à sa position initiale, l image disparaît Dave Kriege a recherché les couples de matériaux dont les coefficients de friction dynamique et statique sont les plus proches possibles, sans être trop faibles, et il a trouvé. Sa solution optimale est le Téflon glissant sur un Formica rugueux. Ainsi les mouvements deviennent naturels. Les forces pour le mouvement en azimut et en hauteur sont égales, et aucune différence n est faite à ce niveau. La présence de la monture disparaît. page 11
Accessoires optionnels Parmi les accessoires utiles à ce type de télescope, citons : - Le tissus opaque pour fermer le tube - L outil laser de collimation grossière (la collimation fine se fait sur une étoile) - Un, voire deux chercheurs (8x50 et Telrad). Le Telrad est souvent monté sur la cage du primaire, en position basse, le chercheur permet quant à lui d affiner la recherche au plus près de l oculaire. - Les bras de levier et roue de brouette pour le transport, ainsi que les rails pour monter le tout dans le hayon de sa voiture. - Le tableau du premier chapitre donne la hauteur de l oculaire au zénith. A partir du 18», une échelle est nécessaire pour accéder aux images en position assise. - Les encodeurs et cercles digitaux - La table équatoriale. Ces deux derniers accessoires (aussi chers que le télescope lui-même ) fournissent un instrument pouvant être équipé des fonctions type GOTO, et faire de l imagerie à longue pose. Précisons à nouveau, et pour finir, que le montage du télescope se fait sans outil. page 12