行星摄影用桁架式牛顿反射望远镜的设计与制作

尹相东 原载《天文爱好者》2018年第10期

为观测2018年火星大冲，本人制做了一架口径254mm、焦比F6的桁架式牛顿反射望远镜，主要目标是能安装在赤道仪上，实现行星摄影。设计思路参考了国内外一些自制望远镜高手的方案，同时结合当前国内可以买到的零部件，尝试了一些新的方法。这里给出此镜设计和制作过程介绍，希望能与有DIY兴趣的爱好者交流。

1、确定目标

2003年观测火星大冲时，本人的主要设备是口径20厘米牛顿反射望远镜。今年准备升级设备，以获得更好的火星观测效果。虽然现在市场上有很多天文望远镜出售，望远镜的类型、口径、价格都有很多选择，但考虑到本人的一些特殊需求，还是决定自己制作一架。

先确定具体目标：

• 光学结构：相比于折射和折反射望远镜，牛顿式反射望远镜结构最简单，最适合爱好者DIY。同样成本下，可以获得的牛顿反射望远镜的口径最大，优秀的抛物面主镜可以提供出色的成像质量。
• 主镜和副镜参数：主镜口径254mm（10英寸），焦比F6，对应焦距约1524mm；副镜短边直径50mm。市场上常见牛顿反射望远镜的焦比是F4~F5。本人选择F6这种长焦距的望远镜，就是为了降低副镜尺寸，以获得更高的成像锐度，这对行星观测有利。作为对比，254mm口径焦比F4的望远镜对应副镜的短边直径约70~80mm，更适合深空天体观测。如果要兼顾行星和深空天体，则焦比F5更合适一些。
• 支架接口：望远镜通过鸠尾板安装在赤道仪上，实现自动跟踪，进行天文摄影。如果仅仅是目视观测，则可以做成结构更紧凑的道布森望远镜，二者制作要求有较大差别。
• 镜筒总质量：包括寻星镜、照相机等所有附件，镜筒总质量小于15kg。本人所用赤道仪理论载重20kg，留一些余量，以保证自动跟踪精度。桁架方案是降低重量的有效方法，市场上常见的封闭镜筒，很难满足这个要求。
• 镜筒刚性要求：当望远镜通过鸠尾板连接到赤道仪上，转到不同角度去观测不同天区的目标时，需要保持望远镜光轴稳定，确保成像质量不受影响。牛顿反射望远镜在观测前要进行光轴确认和校准，确保物镜和目镜光轴重合，以获得最佳成像质量。如果镜筒刚性不够，望远镜转向不同观测目标时，主镜或相机等部件的重量会导致镜筒轻微形变，使光轴产生偏移。潜在影响刚性的因素很多，例如：桁架杆及其固定接头的强度、物镜座强度、副镜支架强度、调焦座强度等，在每一个环节中都要有所考虑。而如果望远镜不接赤道仪，而是用在地平式支架上，例如道布森望远镜，镜筒受力情况要简单一些，对镜筒刚性的要求也相对低一些。
• 镜筒便携性要求：可快速拆装，普通家用轿车可以轻松携带，现场可以不借助或少借助特殊工具，一个人独立快速安装。如果用封闭镜筒，长度至少1.4米，用家用轿车难以携带。采用桁架结构，并在拆装环节做对应设计，力求在便携性和刚性上取得平衡。

3、设计与制作

本望远镜分为主镜座、中间框、副镜框和桁架杆几个部分，下面分别加以介绍。除了主镜、副镜这两个光学原件，其他机械部件的制作用到的材料，主要从网上找成品，在保证性能的前提下，尽量减少高成本的定制加工。

（1）主镜座：

主镜座承担下面几个功能：

• 主镜底部均匀支撑：采用了6点支撑方案，具体设计借鉴了浮动支撑软件“Plop Cell Designer”。输入主镜口径（254mm）、焦距（1524mm）、厚度（25mm)以及副镜尺寸（短边50mm）等参数，选择支撑点数（3、6、9或18...），软件会给出具体支撑点的位置以及镜面变形误差分析。对这种口径和厚度的镜子，6点或9点支撑比较常见。

• 主镜侧面稳定支撑：采用了三个分布120度的区域支撑设计，每个区域采用了40mm宽的支撑块，通过弧面与主镜接触，每个支撑区域可以通过两个螺丝手动调节侧支撑的松紧程度。这个侧面支撑力度如果太大，可能会导致主镜受力变形；如果太小，当主镜受力方向改变时，可能会有轻微位移导致光轴偏移。支撑块通过3D打印得到，支撑块和主镜之间垫了一层布，以尽量做到受力均匀。
• 主镜的安全固定：为防止当镜筒朝下时主镜意外翻倒，需要用三个分布120度的压块压在主镜边缘。需要注意两点：一个是主镜遮挡尽量小，以减少对成像的影响。过多的边缘遮挡，会因光的衍射导致所拍照片的十字星芒不够锐利。二是不给主镜表面太大压力，以防止主镜变形。
• 支持主镜光轴调整：采用传统的“三推三拉”结构，实现主镜指向的调节和固定。

为保证主镜座强度，底部支撑和侧面支撑的制作，主要选用了5mm厚的6061材质的角铝，以10mm厚的铝环作为基座，与镜筒其他部分连接。

• 副镜框

副镜框主要用来固定副镜和调焦座。设计中主要考虑了下面几点：

• 副镜框结构：副镜框采用了两个圆环作为框架，这种双环结构对提高系统刚性很有必要，特别是摄影场景。网上很多超便携望远镜的副镜框采用了单环设计，用于目视没有问题，但用于摄影会有刚性上的不足。
• 副镜框大小：副镜框圆环的内径大小会影响望远镜可以有效观测的视场范围。根据经验公式D+F/100 (参考《A Practical Manual for Building Large Aperture Telescope》，以0.5度视场为设计目标），当主镜口径D=254mm，主镜焦距F=254*6=1524mm时，要获得0.5度视场角，副镜框内径至少为269mm。0.5度视场可以满足行星摄影和月面/日面摄影要求。
• 副镜的固定：网上可以方便买到DIY用副镜座和副镜支架，有了这些材料，副镜的固定就比较容易了。副镜与副镜座的连接，推荐用3M双面胶。固定副镜支架的叶片（3片设计或4片设计都可以），推荐用1mm厚的不锈钢片。叶片的松紧可调，安装时叶片要拉的足够紧，保证副镜的位置的稳固，经验是：用手轻触叶片可以听到琴弦的声音。
• 调焦座固定：用铝质转接板连接调焦座和两个副镜框圆环。天文摄影时，摄影终端（摄像头或单反相机、增倍镜、滤镜轮等）不但重量大，而且力臂长，调焦座上受的力比目视场景要大的多。为防止调焦座可能成为系统刚性的瓶颈，除了副镜框采用双环结构外，本人选用了精度和强度较高的无齿调焦座，另外调焦座转接板不能太单薄，本人用了厚度5mm的6061材质铝板。

• 中间框

中间框用于固定鸠尾板，提供与赤道仪的接口。主要考虑如下：

• 中间框可以有方形和圆形两种方案。方形框更方便桁架杆的固定，圆形框的刚性相对更好一些。考虑到对刚性的严格要求，最后本人选用了圆形中间框的方案。

至此可以看到，方案里共有5个圆环：副镜框两个、中间框两个，主镜座一个。5个环选用了同样的尺寸，这种归一化设计便于加工。实际制作过程中，本人采用了从网上买300外径、270内经的6061材质铝管然后切割出铝环的方案，也可以通过网上买12寸桌面铝转盘的方法获得圆环，后者是铸铝材料，需要选择有质量保证的品牌产品。

• 常见鸠尾板有宽、窄两种规格，这里选用了宽鸠尾板连接赤道仪，以提高稳定性。另外三个原计划用窄鸠尾板的位置，因不准备用来连接赤道仪，改用了2040铝型材，在保证强度的情况下降低重量和成本，固定寻星镜也很方便，实际使用效果不错。

• 桁架杆

桁架结构基本原理是直杆连接成三角形，杆件只受到轴向的拉力和压力，重量轻，强度高。桁架结构广泛应用于专业和业余天文望远镜中。有些望远镜采用了平行直杆的结构，这不属于桁架结构。为达到相同的刚性要求，平行直杆方案对每根杆的强度要求会更高。

桁架杆被用来将主镜座、中间框和副镜框连为一体。桁架杆共用了两组，每组8根（除了每组8根杆方案，还有每组6根杆的方案，基本原理一样）。对桁架杆的基本要求是：连接牢固、桁架杆不能遮挡光路、拆装方便。

• 桁架杆连接角度：当用8根桁架杆连接两个同口径的圆形结构时，相邻两根桁架杆是分布在成135度角的平面上的（正八边形的内角是135度）。一种成熟的桁架杆连接方案，是使用球头和球头座，其优点是固定牢靠，桁架杆角度可以根据需要灵活调节。考虑到成本等因素，这里尝试了一种新方法：从网上找到“135度角件”，一种铝合金型材，自己做了简单加工，可以实现桁架杆135度连接。
• 桁架杆制作：每根桁架杆主体用了外径16mm、内径14mm的碳纤维管（同样尺寸的6061材质铝管也是不错的选择，强度满足要求）。碳管长度的准确尺寸定好后，网上店家可以完成精确切割发货过来，很方便。为了与135度角件配合，接口部分设计如下：在桁架杆端口内嵌一小截内部有M6螺纹的铝管（铝管长约15mm，外径14mm，正好可以插入碳纤维管中，铝管内径5.5mm，攻丝M6，用AB胶与碳纤维管固定），然后通过一种M6*35规格的不锈钢带孔螺丝，固定在碳管端口，通过这个带孔螺丝实现与135度角件连接（中间加了尼龙垫片）。
• 桁架杆的安装：用135度角件把每组8根桁架杆两两相接连为一体，然后通过5毫米厚的L 形角铝与望远镜主体的铝环连接。
• 刚性的考虑：这种桁架杆及固定方案，设计中对刚性是有担心的，特别是135度角件是第一次用。完成后实际验证，至少对这个规格的望远镜，其刚性是够的。
• 易拆装的考虑：每组8根桁架杆连为一体，安装时只需要8个螺丝对位和拧紧，这比一根一根地安装桁架杆要效率高。另外使用了手拧梅花螺丝，一定程度上降低了对工具的依赖。

• 消光与遮光

望远镜主题组装完成后，可以对铝质零件做发黑处理，或贴消光绒。另外，为防止外界杂光干扰，从网上买了黑色的“哑光弹力氨纶布料”（或叫哑光四面弹力氨纶布料），弹性好，边缘不起毛，找裁缝做了镜筒遮光罩，实际使用效果不错。

4、实际使用验证

制作完成的主镜筒总质量（不含相机、寻星镜）：10.3kg，再加上相机、寻星镜等不会超过15kg上限。

像质：用此镜完成了2018年火星大冲和木星、月球的观测，照片如下，像质达到预期。

火星大冲：

木星：

月面（伽桑狄环形山附近）

系统刚性：初步看满足要求。目前用了两个方法进行确认：一个方法是在家里，用激光校准目镜测试，主镜在不同姿态时，看激光反射点变化范围，没有超出最小的圆圈；另一个方法是：外出观测时，望远镜指向第一个目标后，做一次光轴确认/校准，观测完最后一个目标（观测不同目标，主镜姿态肯定已经变化了），再确认一次光轴，没有发现光轴有偏移。后续还需要做更多的验证工作。

便携性：满足要求。根据不同观测场景，可以有3种用普通家用轿车携带此望远镜的模式。第一种是就近观测，镜筒不拆，直接放入轿车内（镜子总长度将近1.4米，超过后排座位宽度，此时放倒副驾驶座椅，并再占用一个后排座位，就可以放下）；第二种是只拆连接副镜框和中间框的桁架杆，总长度缩短到约0.9米，轻松放入车内；第三种是长途运输，车内空间很有限时，把两组桁架杆都拆掉，占用空间进一步缩小（见下图）。最常用的是第二种携带模式，安装桁架杆并确认/校准光轴，一般在15~30分钟内完成。

后记

亲自动手，做出有个性的、好用的望远镜，并享受制作过程中不断克服困难、解决问题的乐趣，这也是业余天文魅力的一个方面吧。这架254mm口径F6焦比的桁架式牛顿反射望远镜，从决定做到初步完成，历时几个月，如愿完成了火星大冲观测。后续在减重、快速拆装等方面还有进一步优化空间。在吸收前人优秀经验的基础上，也提出并尝试了一些新方法，总结共享出来，希望能抛砖引玉，与更多DIY爱好者交流，共同提高自制望远镜的水平。

DIY虽然有乐趣，但是要付出物料、加工和时间成本的。在真正决定DIY之前，一定要有充分的考虑。现在市场上大厂生产的部分常规口径和焦比的望远镜，性价比已经非常高，使用效果也很好，很有竞争力。对于大多数天文爱好者，根据观测目标偏好、观测环境、经济能力和交通条件等，购买合适的成品望远镜，可以更方便享受到天文观测的乐趣。没有充分考虑就DIY，可能费用更好，效果不一定有成品的好。

而下面一些场景，则可能是DIY比较适合的：初学者想更好了解望远镜原理（例如百元成本自制小口径望远镜，适合中小学天文科普教学），或对望远镜特殊要求（例如本案例），或想拥有更大口径望远镜（例如口径400mm或更大的望远镜，厂家批量小、成本高，自己买镜片然后自制超便携的道布森支架，用普通家用轿车就可以带到野外享受观星乐趣）等。

另外，在DIY过程中，如果能学习掌握一种三维机械设计软件（PRO-E或SOLIDWORKS等），是非常有用的。可以提前完成详细设计、计算重心，并能做简单的受力分析，是DIY的好帮手。也可以借助软件输出正规图纸，然后网上找专业机械加工点完成零件加工，进一步降低DIY的难度。