Turbulences primaire et secondaire

[gliese]

Il y a 3modes d'échanges de chaleur  :

 

La convection = le mouvement d'air  transporte la chaleur et le transfere a un objet

La conduction = échange de chaleur par contact de 2 objets 

 L'échange de chaleur par radiation ...  Surtout par les rayonnements infra rouges , qui vont chauffer a distance un objet  ou l'air  . 

C'est ce dernier qui pose probleme , car il présente des subtilités  un peu déconcertantes  . Certains telescopes ont des supports de secondaires en alu poli , non peint en noir , car tous les metaux polis , ont une faible émissivité de chaleur . Donc l'arraignee du secondaire rayonne moins de chaleur , et donc moins de turbulences de l'air autour , et donc rectitude des rayons stellaires mieux conservée, dès l'entree dans le tube . Mais reflexions de lumieres parasites augmentées .

 

1ere question      : Pourquoi malgré cette remarque , les grands telescopes ont, pour  la plupart , des supports du secondaire  peint en noir mat , avec pourtant des conditions de noirceurs environnementales qu'on a pas nous  ?

 

Si on peint en noir mat l'arraignee du secondaire , l'émissivité passe de 0,05 (environ ,pour le metal poli )  a 0,95 (environ)  càd celle du noir de fumée/suie et presque 1 , celle d'un corps noir , avec un simple depot de film mince de peinture (!!) , et alors on a un rayonnement de chaleur max , proche de 1 (100%) . Mais a mon avis , vue la masse totale du secondaire  peu elevée ,  l'émission ne doit pas etre trop forte ....?) et donc de la turbulence ajoutée par le secondaire si on le peint en noir mat

 

Pour le primaire , l'aluminure agit (a mon avis , par simple comparaison avec les observations physiques ci dessus ) , comme du metal poli , et l'emissivité est voisine de 0,05 (= ordre de grandeur ) .... Donc ça limite les pertes de chaleur par rayonnement thermique ,par cette surface métalisée polie , et évite donc de descendre encore plus bas en temperature , par rapport a celle de l'air ambiant  ( = on a souvent une diff de temp de 1 a 2 degrés , entre l'air ambiant , et le miroir primaire , qui perd plus en degré donc , par radiation vers le ciel dégagé). Je parle du cas ou le primaire est sortie dehors depuis longtemps , et donc que sa temperature  est voisine de l'air du dehors .

 

idée et question 2  :  Si on "aluminise"/métalise  aussi  les bords, mais surtout le fond du miroir primaire , il va beaucoup diminuer ses pertes thermiques par rayonnements  , et donc moins baisser en temperature , et on aura peut etre plus autant d'écart de degrés entre le primaire et l'air   . (2 degrés d'écart est semble t il , un max , car alors turbulences deviennent trop importantes ).  Donnée : L'émissivité du verre est de 0,90 (environ)  donc importante perte du verre par rayonnement thermique .

(Pour memoire et differencier les parametres thermiques : Le verre a une faible conduction  = 1 w/m2/K  environ , contre 400 pour le cuivre ou l'argent , et 0,05 pour la laine de verre )  

 

C'est assez subtil et complexe tout cela 

 

3) Peut etre que les observatoire climatisent leur primaire et secondaire pour etre a la meme temperature que l'air ? et ce serait une solution pour les telescopes de luxe d'amateur  ??? et les photos HD  ( il suffit une fois l'équilibre atteint , de rechauffer le primaire et le secondaire d'environ 1 degré , avec des resistances de vivarium , qui font quelques watts , en les sous voltant )

 

Données et remarques  interressantes du quotidien  sur cette étonnante émissivité/radiation : Un moteur electrique a carcasse metallique chauffe a 70 degres par exemple , avec la grande majorité du flux thermique en convection et un minimum en radiation (et un minimum par contact/conduction ) ......... Si on le peint en noir (ou une peinture foncée , car l'écart entre les 2 émissivités est peu) , alors le moteur est a 50 degres , et la radiation devient forte , devant la convection et la conduction  . Aussi : un radiateur de chauffage central peint rayonne plus qu'en metal brut ,  et bcp bcp plus que si vous l'astiquez au Miror et a la pate  a polir  🙂

[Moot]

Les coupoles des grands télescopes sont climatisées pour qu'il n'y ait pas à attendre une mise en température à la tombée de la nuit, et quand elles sont ouvertes, leur conception est telle que les flux d'air sont laminaires.

C'est un dur problème, voir les différents avatars du télescope Bernard Lyot, au Pic du Midi, où l'on a essayé différentes configurations (tube fermé, tube ouvert, étanchéité de la coupole, ventilations, etc...) avant de trouver celle qui convenait le mieux.

[gliese]

oui effectivement  , les coupoles sont climatisées , et donc  la temperature du telescope est égale a celle de l'air exterieur . Mais quand commence l'observation , le primaire se refroidit par radiation , sa face superieure etant exposé au ciel de nuit dégagé , et donc il baisse plus vite en temperature que l'air autour .  Ils doivent sans doute , en plus climatiser le primaire et le secondaire (en les rechauffant) ...

[jgricourt]

Le soucis c'est  la différence de température entre le primaire et l'exterieur mais aussi les gradients de températures qui traversent le primaire et ce d'autant que le primaire est épai ou qu'il est dans un matériaux sensible à la température. Un primaire même ventilé/climatisé doit refroidir et pendant cette phase il restera en sur correction car les bord se refroidissent plus vite que le centre.

 

source : http://www.loptics.com/articles/starshape/starshape.html

 

Certains matériaux comme la céramique ou le verre quartz présente cet avantage que pendant le refroidissement le miroir celui ci ne se déforme pas et le front d'onde reste sphérique !

[olivdeso]

Il y a 3 heures, Moot a dit :

C'est un dur problème, voir les différents avatars du télescope Bernard Lyot, au Pic du Midi, où l'on a essayé différentes configurations (tube fermé, tube ouvert, étanchéité de la coupole, ventilations, etc...) avant de trouver celle qui convenait le mieux

 

Et quelle est la conclusion?

[gliese]

oui Jgricourt ,  le probleme que tu abordes avec schéma explicatif est aussi tres interressant , mais different de celui du probleme de  l'émissivité du primaire et du secondaire .

Ton schéma montre que si un verre a un mauvais coefficient de conductivité thermique , alors des poches de temperatures internes mettront beaucoup de temps a s'évacuer , et provoqueront des dilatations et deformations de  la surface optique . 

Dilatations d'autant plus fortes , que le verre a un coef de dilatation elevé  (expl : Verre normal dilatation 8 , conductivité 0,75   _   Pyrex = 3  (2,5 x moins ! )  et 1   _ Zerodur = 0  (!) et 1,6  = 2 parametres  excellents mais tres cher (!) ....   etc ) .

 

Mais le post est un miroir a " l'équilibre thermique" , mais subissant la déperdition par radiations au cours de la nuit , qui fait qu'il est souvent a 2 degrés plus froid que l'air ambiant :  Un thermometre électronique avec un fil sonde , pour avoir 2 endroits de mesures , avec la sonde collée sur le primaire et isolée de l'air ambiant par de la mousse , montre cet écart fréquent au cours de la nuit . Et donc il faudrait chauffer ! et non pas laisser refroidir le miroir  !          

 

Oui Olivedeso , il y a peut etre des infos  aussi interressantes qu'aurait Moot  , si il connait des solutions apportés au telescope de 2m du Pic , meme si ce n'est pas sur l'émissivité  ..... tant pis  

[jgricourt]

La turbulence c'est juste une partie du pb c'est que je voulais montrer ici car même à l'équilibre thermique un miroir en verre se déforme  

 

Un certain Anthony Wesley un spécialiste de la haute résolution planétaire bien connu, à déjà fait une étude sur le refroidissement des primaires au cours de la nuit. Pour ça il a utilisé des sondes de température pour valider différentes techniques expérimentales (étude en 4 parties): http://www.acquerra.com.au/astro/cooling

 

D'autres expérimentations par Jerry Hyman : https://www.cloudynights.com/topic/255426-cool-it-experiments-in-cooling-my-10\%E2\%80\%9D-mirror

[gliese]

Les graphiques et l'etude que tu as trouvé sont tres interessants et beaux .  Merci .

Les 2 americains  ont l'inverse de ce que je mesure : ils ont une temp miroir toujours sup de 1 a 2 degrés a l'air  ! Moi c'est l'inverse que je mesure . et je suis surpris de leurs résultats   !!  car la déperdition par radiation vers le ciel existe bel et bien pour tout miroir durant la nuit.

 

... Mais en y reflechissant , je pense que l'explication vient du rapport diametre/epaisseur  , qui doit etre de 5 pour leur 250 mm  , alors que j'ai un miroir tres fin = rapport =15  . Donc ils ont une "boule" remplie d'energie de "leur appartement " , et moi une" vitre"... Donc si c'est bien ce phenomene , eux ont une perte de chaleur vers les surfaces exterieures de leur boule ,par conduction,  tres lente  , avec ce phenomene qui prime loin devant la perte par radiation . Et l'inverse pour moi .

 

Donc certains rapport diametre/epaisseur qui se situe entre 5 et 15 , pourraient  avoir la meme temp de baisse pour le miroir , identique a l'air . Et donc peinard , pas de thermoregulation a faire !

 

Mes questions initiales 2) et 3) ont une reponse ici confirmée en climatisant (chauffant ou refroidissant)  le primaire ... voire le secondaire ... Et pas de methode passive pour le moment en reponse 

 

Bizarre (et faux ...    😈  )  que l'américain(Wesley)  dise que la temp se stabilise vers 3h du matin , car avec un ciel dégagé , c'est une certitude  , le fameux rayonnement thermique , fait baisser regulierement la temp jusqu'au lever du soleil !  Et là on a pas tous le meme miroir , mais on a la meme Terre et atmosphere  , meme si on change de continent  . Et puis pour pinailler encore une fois , apres j'arrete  , a 1ere vue , pour moi , quand la rosée apparait , la temp devrait augmenter et pas baisser comme il le constate sur ses courbes , car quand ça condense , ça libere de l'energie , ça chauffe  (cf la formation des  nuages , l'effet de foehn etc )  ...

 

  Un résumé a ce moment du topic  =    Ca fait , pour une nuit entiere  d'observations , une batterie pour les ventilo , une autre pour l'Argonavis , une autre pour les moteurs , une autre pour les résistances   .....  Ce n'est plus de l'astronomie mais une exposition de batteries / une sortie batteries  

[jgricourt]

Le temps de refroidissement dépend effectivement de l'épaisseur du mirroir, un miroir 2 fois moins épais mettra 4 fois moins de temps à refroidir : 

 

Voir aussi la technique Mauro da Lio pour optimiser l'extraction d'air, une technique qui repose sur une étude dynamique des fluides :  

 

http://autocostruttori.blogspot.com/2009/08/yet-another-method-for-cooling-mirrors.html

Discuté ici par des spécialistes : https://www.cloudynights.com/topic/234615-my-method-for-the-control-of-the-boundary-layer

[olivdeso]

Le 02/07/2019 à 16:46, gliese a dit :

Donc certains rapport diametre/epaisseur

 

En fait c'est uniquement l'épaisseur qui compte. le diamètre n'intervient pas dans le refroidissement.

 

Le primaire se refroidit très majoritairement par la face arrière, pas par les côtés, leur surface étant marginale.

(le côtés ne jouent que très localement, sur une distance similaire à l'épaisseur du miroir).

 

Bref c'est la distance la plus courte entre le point le plus éloigné de cette surface d'échange qui compte (i.e. la matière juste sous l'aluminure isolante), donc l'épaisseur du miroir.

 

Sur les miroirs vraiment épais, la problématique est que le miroir a du mal à suivre les variations de température, il est souvent en retard. Donc 1 ou 2 degrés de plus que l'ambiant n'est pas étonnant. C'est ce que je constate souvent sur un 600 de 50 d'épaisseur qui est sous coupole.

Il y a un gradient entre le primaire et l'intérieur de la coupole qui peut faire 1 degrés, puis entre la coupole et l'extérieur encore un autre degré.

Sans ventilation, ça peut prendre 5h pour s'équilibrer.

Avec ventilation de la coupole, on passe à 3h. En ventilant le primaire on passe à 2h (ce sont des ordres de grandeur)

[gliese]

Merci .

Il y a d'autres topics sur l'emplacement du ventilateur (en haut , en bas , lateral, en aspiration ou en refoulement ) et sur leurs nombres (qui peuvent créer des turbulences entre eux et aussi créer des zones inhomogenes refroidies )

oui , tres juste , mais on est toujours sur des notions "anciennes" de conductions/conductivités  et convections  

 

PS : J'ai un gros doute maintenant sur mes relevés de temperatures du miroir de  1 a 2 degrés inferieures , a l'air ambiant , durant toute la nuit , alors que tous semblent avoir toujours l'inverse , avec une couche chaude a chasser  ??!!

[Colmic]

Faudrait poser la question à @thierry ruiz

Ya quelques années, avec Olivier Ruau (dont on n'a plus de nouvelles depuis un moment) ils avaient eu l'idée de monter les ventilo soufflant sur la surface du miroir, basés sur l'effet coandã.

Vous avez dû voir certains Skyvision avec ce genre de ventilos.

Aujourd'hui il me semble qu'ils ont abandonné cette idée. Faudrait que Thierry nous en dise un peu plus. C'était pas efficace ?

 

 

 

[Wargentin]

Pour le côté théorique, il existe ce petit logiciel à télécharger, qui permet de tester différents paramètres :
http://www.cruxis.com/scope/mirrorcooling.htm
2° de moins par rapport à l'air ambiant me semblent effectivement beaucoup. D'après ce programme, avec les valeurs par défaut, on tourne plutôt autour de 0.5° en moins.
Et si la température baisse en cours de nuit, ce qui est quand même le cas de figure le plus fréquent, et pour peu que le miroir soit mal ventilé, ce dernier reste toujours plus chaud que l'air ambiant !

Si ces 2° d'écart sont bien validés (à vérifier quand même à mon avis), peut-être qu'il faut voir du côté des valeurs par défaut justement. Par exemple, l'émissivité pour le dos du miroir est fixée à 0, au motif que cette face n'est pas dirigée vers le ciel, et donc échange par rayonnement avec le sol, qui est à peu près à la même température. Mais ce n'est pas forcément le cas.

D'abord, si le télescope est incliné, le barillet très ouvert, et le site d'observation bien dégagé, la face arrière du miroir "voit" bien une partie du ciel. Ensuite, le sol autour du télescope lui aussi voit le ciel, et la nuit la température au sol peut descendre plus bas que celle de l'air ambiant. Donc cela pourrait jouer aussi.

En fait, il y a tellement de paramètres à prendre en compte qu'on est chaque fois dans un cas particulier : présence d'un tube ou pas, présence d'une coupole ou pas, ventilation mécanique ou pas, si oui par-dessus ou par-dessous, barillet aéré ou encombré, observation en début ou en fin de nuit, écart de température faible ou important par rapport au lieu de stockage du télescope, et on pourrait continuer la liste encore longtemps…


Pour le côté pratique, j'utilise sur mon télescope (XT10g) le système évoqué plus haut par @jgricourt : l'arrière du tube est fermé par un isolant, sur lequel est fixé un ventilateur au centre qui aspire l'air du tube. Je laisse le ventilateur allumé durant toute la séance d'observation.
Cela évite tous les questionnements et les doutes autour des échanges radiatifs, puisque de l'air circule en permanence sur les deux faces du miroir. D'autre part, comme les déplacements d'air à l'intérieur du tube et au-dessus du miroir sont laminaires, cela évite d'ajouter des turbulences.

Pendant quelques mois j'ai testé la solution classique, qui consiste à faire souffler le ventilateur sur le dos du miroir. C'était pas mal. Puis j'ai changé l'orientation du ventilo pour qu'il travaille en aspiration, et du jour au lendemain la stabilité des images s'est améliorée.
Le télescope se met très vite en température : au pire il lui faut trois quarts d'heure, et le plus souvent c'est quasiment instantané. Du moment que l'écoulement laminaire peut se mettre en place, il n'y a plus de turbulences internes.
Mais il faut dire aussi que je stocke mon télescope dans une pièce non chauffée, et que l'écart de température avec l'extérieur est toujours limité à quelques degrés. Peut-être qu'avec des écarts plus importants, cette solution se révèlerait un peu juste.

@Colmic, non ça ne marchait pas .  Utilisé dans les mêmes conditions que mon XT10g aujourd'hui, le SV que j'ai eu nécessitait entre 3 et 4 heures de mise en température, comparé aux 45 minutes maxi du XT10g. Les 42 mm d'épaisseur du miroir par rapport aux 31 du XT10g n'expliquent pas un tel écart !
EDIT : je n'exclus pas que le système ait été efficace sur les T300, mais objectivement il n'avait pas été testé sur les 400, et son implémentation sur ces modèles le rendait inefficace.

Modifié 4 juillet 2019 par Wargentin

[olivdeso]

Il y a 4 heures, Colmic a dit :

Ya quelques années, avec Olivier Ruau (dont on n'a plus de nouvelles depuis un moment) ils avaient eu l'idée de monter les ventilo soufflant sur la surface du miroir, basés sur l'effet coandã.

Vous avez dû voir certains Skyvision avec ce genre de ventilos.

 

oui tout à fait, c'est ce que j'ai dans mon dob SV 400.

- un ventilateur latéral au dessus du primaire

- des ventilateurs dessous pour la mise en température

 

Ceci dit le barillet est constitué d'un gros disque d'acier plein qui fait office de contrepoids aussi. ça n'aide pas à ventiler le dessous du primaire.

Mais bon, pas trop de soucis de mise en température, ça va bien plus vite que le C11 du collègue. (qui n'est pas une référence certes). ça va mettre 1h ou 2, ça va le temps de tout installer et de faire un peu de grand champ.

 

Par contre le ventilo latéral fonctionne bien. c'est laminaire, en planétaire les images sont bien fines. c'est assez basique, peut-être optimisable, mais c'est pas mal déjà.

 

ça c'est un sujet à garder avec plein d'info de qualité et les sources de référence.