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KERN AARAU: Ottiche svizzere per la NASA (seconda parte)

KERN AARAU: il mitico brand svizzero produttore di grandi obiettivi cine e le sue ottiche destinate alla NASA e alle missioni APOLLO.

Seconda Parte: Kern e la NASA

I primi abboccamenti formali fra Kern Aarau e NASA ebbero luogo il 3 Luglio 1967; i successivi contatti vennero tenuti utilizzando come intermediari il personale della Paillard, Inc. U.S.A. e si iniziò la lavorare sulle particolari specifiche tecniche e dei materiali necessarie per ottemperare ai rigidi protocolli di missione spaziale, molto più severi dopo lo sciagurato incidente dell’Apollo 1; in un fattivo incontro del 25 Settembre 1967 la Kern fornì alla NASA una serie di doppietti acromatici destinati all’obiettivo grandangolare da 10mm 1:1,6 affinchè testassero negli U.S.A la tenuta del collante con i test di choc termico previsti; infatti le ottiche da 18mm 1:0,9 e 75mm 1:2,2 destinate alla missione sarebbero state calcolate ex-novo, evitando l’adozione di lenti collate per escludere a priori problemi di scollature, tuttavia il grandangolare ricalcava pedissequamente il noto Switar 10mm 1:1,6 che, per garantire la correzione cromatica secondo gli standard Kern, era articolato su 10 lenti in 5 doppietti acromatici; a tale scopo il comune balsamo del Canada utilizzato nel modello di serie venne sostituito dal collante Epikol, con caratteristiche più adatte a questa esigenza; nel frattempo alcuni prototipi di obiettivi furono testati anche alla Kern di Aarau nel vuoto assoluto e a temperature elevate, fino a +120° C.

I materiali utilizzati per i barilotti venero vagliati dalla NASA per verificare che rispettassero i protocolli e nelle montature furono impiegate leghe metalliche con dilatazione termica simile a quella del vetro mentre le lenti vennero sigillate prevedendo comunque prese d’aria a tenuta di polvere per compensare la pressione interna; le specifiche richiedevano che gli obiettivi sopportassero senza danni un valore di 5,5g per 5 minuti primi in qualsiasi direzione e che le ghiere di messa a fuoco e diaframmi rimanessero funzionali con temperature comprese fra -40°C e +70°C; in ogni caso i prototipi inviati da Kern verranno poi vagliati ulteriormente dalla NASA effettuando 25 differenti test.

Questa immagine fornita dal Stadtmuseum Aarau mostra gli obiettivi Kern forniti alla NASA; al nucleo originale di 3 obiettivi (10mm, 18mm e 75mm) si aggiunse in extremis anche il 180mm 1:4,5, quando Jerry Kovanda, un manager della Paillard Inc., U.S.A. il 13 Marzo 1969 si accordò con la NASA per fornire anche 2 prototipi di un teleobiettivo da 180mm, con l’opzione per altri 42 esemplari; per ragioni che andremo poi a documentare, il 180mm in realtà non prese mai parte alle missioni Apollo, quindi il novero delle ottiche effettivamente impiegate è ridotto ai 3 modelli originali; i 4 obiettivi vennero rubricati col NASA Part Number SEB 33100010, 33100017, 33100018 e 33100019 mentre, curiosamente, nelle prime forniture la matricola inizia in tutti gli esemplari da 301 mentre, in esemplari più tardi, la matricola inizia da 1.001, numerazione più consona alle abitudini NASA; le scale dei diaframmi sono indicate direttamente col valore effettivo T, com’è prassi comune nelle ottiche cinematografiche.

Le ottiche Kern fornite alla NASA prevedevano un guscio esterno in duralluminio con finitura nera Eloxal, un materiale leggero e resistente ma di certo meno tecnologico rispetto a quello usato per le ottiche americane Fairchild applicate alla telecamera video Westinghouse Lunar Television Camera destinata allo sbarco sulla superficie lunare, realizzate in leggerissimo ma tossico berillio, placcato in argento ad alto spessore per contrastare l’irraggiamento solare e quindi rivestito con una finitura organica anti-ossidazione; l’obiettivo da 18mm dell’esempio illustrato prevede una baionetta anteriore per applicare il “right angle mirror”, uno specchio a 45° che permetteva di modificare l’angolazione di ripresa quando la cinepresa era applicata al suo stativo all’interno della capsula, in prossimità di una finestra; la sede di innesto dello specchio è evidenziata i colore rosso mentre la sezione anteriore della baionetta è interamente forata per ridurne il peso; le due ghiere per la messa a fuoco e il controllo del diaframma prevedono un settore a sbalzo zigrinato e anche due pivots supplementari per facilitare l’utilizzo con i guanti da missione, una soluzione messa a punto dalla NASA ed utilizzata in altri obiettivi prodotti da fornitori esterni e destinati ad un impiego analogo; i valori T di apertura e quelli delle distanze, in piedi, sono sovradimensionati per facilitare la lettura, così come l’indicazione della lunghezza focale sul barilotto; la parte inferiore dell’obiettivo include una cintura di metallo lucidato che riporta per incisione il marchio del fabbricante, nome/focale/luminosità dell’ottica, il NASA SEB Part Number e la matricola individuale, mentre la montatura prevede un attacco filettato tipo 1” – 32 NS 3A con applicato un adattatore vite-baionetta per il montaggio finale sulla cinepresa; tutto sommato una configurazione tecnica non particolarmente estrema, dal momento che questi obiettivi non erano destinati allo sbarco sulla superficie e all’attività extraveicolare, quindi non dovevano sopportare condizioni ambientali realmente estreme.

L’immagine, realizzata dal museo NASA, mostra un dettaglio della cinepresa Maurer alla quale è applicato un Kern Switar 10mm 1:1,6 (T=1,8) destinato ad una missione spaziale successiva e privo del paraluce in dotazione; come si può notare il numero di matricola S/N è 1.016, cioè il 16° esemplare partendo dalla matricola 1.001, una tipica numerazione NASA, mentre gli obiettivi utilizzati in missioni precedenti, come detto, presentavano un S/N anomalo, a partire da 301.

Vediamo ora di descrivere in dettaglio i 4 obiettivi, utilizzando anche schemi e progetti originali tuttora conservati al Stadtmuseum Aarau e gentilmente diffusi.

NASA KERN SWITAR 10mm 1:1,6 (T=1,8)

Si tratta del modello grandangolare, progettato da Hans Schlumpf e presentato per la richiesta di brevetto svizzero l’8 Luglio 1955; è l’unico obiettivo di questo gruppo realizzato “riciclando” un gruppo ottico di normale produzione e già abbastanza datato; lo schema retrofocus, con spazio retrofocale maggiore della lunghezza focale stessa, consente un angolo di campo orizzontale di 65 gradi e prevede 10 lenti con ben 5 punti di incollaggio, una situazione critica che fu ampiamente valutata definendo l’obiettivo.

La Kern Aarau, con l’intermediazione del partner Paillard Inc. U.S.A., il 10 Luglio 1968 ricevette dalla NASA la richiesta di 3 prototipi per un grandangolare da 10mm per formato cine 16mm, al prezzo totale di 3.900 Franchi svizzeri; rapidamente si definì che il modulo di lenti dello Switar 10mm 1:1,6 di normale serie soddisfaceva le specifiche e quindi si passò a definire la speciale montatura meccanica per uso spaziale, incarico affidato allo specialista della casa, il già citato Fritz Hinden, che l’11 Settembre 1968 completò un progetto di massima, con tutte le parti non connesse all’assemblaggio delle lenti realizzate in lega leggera Anticorodal B con passivazione Eloxal nera.

Ecco il disegno originale realizzato da Fritz Hinden, con la sagoma delle lenti curiosamente evidenziata manualmente con pastelli a cera.

Il progetto mette in evidenza i grandi pivots da azionare con i guanti spaziali, richiesti dalla NASA, e l’efficace paraluce anteriore, una precauzione necessaria in un obiettivo con un elevato numero di lenti; la tavola conferma che lo schema ottico coincide con quello dello Switar 10mm 1:1,6 di normale produzione.

Il brevetto originale dell’obiettivo venne presentato da Hans Schlumpf l’8 Luglio 1955 (e, con precisione svizzera, viene annotata anche l’ora di presentazione, le 19 di sera!); lo schema utilizza un’architettura retrofocus dove tutti gli elementi risultano raddoppiati in doppietti collati, anche quelli che normalmente sono singoli, per cercare la massima correzione cromatica possibile; nonostante la progettazione datata di metà anni ’50 l’obiettivo include già 3 lenti agli ossidi delle Terre Rare (due in lanthanum Crown LaK9 e una in lanthanum Flint LaF2) mentre, per acromatizzare l’ultimo doppietto, viene impiegato un vetro Dense Flint SF10 ad alta rifrazione (nD= 1,74077) e alta dispersione (vD= 27,7), abbinato ad un vetro a dispersione più contenuta (VD= 59,6).

Questo dettaglio dagli schemi di progetto della versione NASA conservati in archivio allo Stadtmuseum Aarau mette in evidenza il sistema di ventilazione controllata delle lenti per compensare le differenze di pressione durante le fasi della missione spaziale.

NASA KERN SWITAR 18mm 1:0,9 (T=1,0)

E’ l’obiettivo superluminoso del gruppo, con una luminosità fotometrica effettiva di 1:1,0, specificamente richiesto da NASA che ha sempre avuto un occhio di riguardo per la dotazione di superluminosi, ipotizzando situazioni di illuminazione estremamente sfavorevoli (altri celebri luminosi usati da NASA sono lo speciale Zeiss Planar 50mm 1:0,7, il Nikon Nikkor 55mm 1:1,2, il Leica Noctilux-M 50mm 1:1,2, l’Astro Berlin Tachon 52mm 1:0,95 o il Fairchild 25mm 1:1,0); contestualmente all’ordine del 10mm 1:1,6, sempre il 10 Luglio 1968 la Paillard Inc. U.S.A. fece pervenire alla Kern Aarau per conto di NASA anche l’ordine di tre prototipi per un 18mm 1:0,9 (T=1,0), per un prezzo complessivo di 33.000 Franchi svizzeri; un obiettivo del genere non esisteva nella gamma ed occorreva realizzare ex-novo lo schema ottico, concepire la speciale montatura meccanica, realizzare i prototipi e consegnarli entro il 30 Novembre 1968, in modo da rispettare la tabella di marcia e renderlo disponibile per la missione Apollo 10, in partenza il 18 Maggio 1969; erano tempi indubbiamente stretti che obbligarono i progettisti Walter Zuercher e Ludwik Canzek (responsabili della parte ottica) e Fritz Hinden (responsabile della montatura) a passare un’estate davvero rovente, peraltro sostenuti dal comprensibile orgoglio per la prestigiosa commessa.

Curiosamente la vita attiva di questo speciale 18mm superluminoso fu abbastanza movimentata perché lo schema ottico originale prevedeva 10 elementi, con 3 lenti spaziate ad aria dietro al diaframma; proprio questi elementi spaziati, durante le missione Apollo 10 e Apollo 11, furono responsabili di fastidiosi riflessi indesiderati, cosa di cui la NASA si lamentò il 5 Agosto 1969 presso la sede americana della Paillard, Inc.; Zuercher e Canzek, informati della cosa, si misero alacremente al lavoro modificando lo schema ottico e sostituendo le 3 lenti spaziate ad aria dietro il diaframma con un doppietto collato, riducendo il numero complessivo a 9 ed eliminando ben 4 passaggi ad aria; il nuovo 18mm con schema ottico modificato, più efficace nella soppressione dei riflessi, fu consegnato alla NASA il 2 Ottobre 1969, in tempo per salire a bordo per la missione Apollo 12, destinata a partire il 14 Novembre 1969.

Questa sezione mostra il profilo dell’obiettivo con lo schema ottico originale, un impressionante modulo Gaussiano asimmetrico con gruppo concentratore posteriore; nello schema si notano bene le tre lenti separate ad aria poste dietro il diaframma (L3, L4, L5), responsabili dei riflessi in controluce rilevati dalla NASA.

Il progetto originale della versione rivista nell’estate 1969, definito prototipo “c”, mostra chiaramente che le 3 lenti spaziate ad aria del modello originale sono state sostituite da un doppietto collato (lenti di colore rosso e arancio), modificando contestualmente parametri, spessori e distanze di altri elementi per ottimizzare nuovamente il sistema: un lavoro impegnativo svolto in una manciata di settimane, probabilmente portato a buon fine anche grazie al massiccio utilizzo di calcolatori elettronici; infatti le stesse fonti ufficiali Kern sottolineavano con orgoglio che per concepire questo 18mm furono necessari oltre 100 milioni di operazioni di calcolo su numeri a 9 cifre e tenendo simultaneamente conto di 49 variabili principali di computazione: numeri ovviamente fuori portata per i vecchi sistemi di progettazione manuale!

Questa tavola illustra lo schema ottico originale, utilizzato nelle missioni Apollo 10 e 11, e riporta i relativi diagrammi con aberrazioni e potere risolvente; quest’ultimo presenta valori estremamente elevati: addirittura 1.000 linee/mm sull’asse del fotogramma che passano a circa 600 l/mm a 2mm fuori asse, circa 500 l/mm a 4mm fuori asse e ancora circa 350 l/mm ai bordi, 6mm fuori asse; la correzione complessiva, considerando l’elevatissima apertura, è di livello eccezionale e configura questo 18mm 1:0,9 (T=1,0) come il modello di punta di questa serie di ottiche NASA.

D’altronde la Kern poteva vantare una certa esperienza in obiettivi dalla luminosità estrema ed elevata correzione complessiva: restando nella produzione di serie possiamo ad esempio citare il Kern-Paillard Switar 13mm 1:0,9 per il formato cine 8mm, un obiettivo calcolato da Hans Schlumpf nel 1958 del quale posso mostrarvi gli estratti salienti del brevetto originale.

L’intestazione del brevetto sottolinea l’ambizioso progetto, definito per un obiettivo luminosissimo e tuttavia corretto per aberrazione sferica, cromatica, astigmatismo e coma: non è un assunto da poco! La sezione che ho aggiunto mostra lo schema, articolato in pratica su 5 doppietti collati per un totale di 10 lenti, come nel caso dello Switar grandangolare da 10mm; nel 13mm 1:0,9 riconosciamo un modulo principale a 6 lenti in 3 gruppi simile a quello dell’Hektor Leitz, con aggiunti due doppietti posteriori per ottimizzare la correzione cromatica e concentrare il fascio luminoso.

Lo schema ottico indicato nel brevetto coincide con quello illustrato nella sezione dell’obiettivo, confermando la corrispondenza.

Osservando i parametri di progetto, si nota che l’obiettivo fa uso di ben 4 lenti in vetro agli ossidi delle Terre Rare, tre in lanthanum Crown LaK8 ed una in lanthanum Flint LaF35; nei doppietti vengono anche utilizzate tre lenti in vetro Dense Flint SF3 ad alta rifrazione ed alta dispersione e, addirittura, negli ultimi 2 doppietti questo SF3 è in combinazione con il vetro LaK8,  creando quindi, più che un doppietto acromatico, quasi un doppietto ipercromatico, dove i due indici di rifrazione sono molto elevati ma simili, quasi come se – da un punto di vista meramente rifrattivo – si trattasse di una singola lente dove la presenza dei due elementi e del relativo raggio in comune non interferisce molto con le aberrazioni, mentre il valore dispersivo sostanzialmente differente (vD=27,7 e vD= 53,9) interagisce efficacemente con la correzione cromatica; tutto questo evidenzia lo stato dell’arte della tecnologia Kern per gli obiettivi superluminosi già negli anni ’50 e fa capire perché non ebbero difficoltà a creare in breve tempo il 18mm NASA.

Anche analizzando l’aberrazione sferica alle varie frequenze dello spettro nel brevetto dello Switar 13mm 1:0,9 otteniamo conferma di una correzione molto elevata, considerando l’apertura e l’anno di progettazione.

NASA KERN SWITAR 75mm 1:2,2 (T=2,3)

Anche il teleobiettivo da 75mm della dotazione NASA ha uno schema che deriva da un modello di produzione, il celebre Switar 75mm 1:1,9 per cineprese 16mm calcolato da Hans Schlumpf e presentato per il brevetto il 20 ottobre 1958, tuttavia si tratta di una versione leggermente modificata appositamente per questo scopo, riducendo l’apertura iniziale da 1:1,9 a 1:2,2.

Il progetto originale, sempre con lenti evidenziate tramite pastelli a cera, mostra uno schema tipo Ernostar dalla configurazione molto favorevole: infatti si tratta di 6 lenti spaziate ad aria, senza punti di incollaggio che potrebbero rivelarsi critici con gli sbalzi termici della missione; anche in questo caso materiali e capitolati corrispondono alle richieste NASA e sono parimenti presenti i due inconfondibili pivots applicati alle ghiere.

Il brevetto originale del 1958 della versione di serie Switar 75mm 1:1,9 rivela la corrispondenza dello schema ottico; dai parametri di progetto si evince che l’obiettivo non utilizza vetri speciali, né ai fluoruri a bassissima dispersione né alle Terre Rare ad alta rifrazione/bassa dispersione; in ogni caso il 75mm 1:1,9 Kern che condivide lo schema con il modello NASA gode di un’ottima reputazione sul campo.

NASA KERN SWITAR 180mm 1:4,5 (T=4,6)

Il quarto obiettivo del gruppo, come anticipato, non prese mai parte attivamente alle missioni; venne commissionato il 13 Marzo 1969, con tempi strettissimi rispetto alla missione Apollo 10 prevista soltanto 3 mesi dopo; il matematico Ludwik Canzek, specializzato in teleobiettivi, si buttò a capofitto sul progetto e già il 4 Aprile 1969 era disponibile un prototipo (probabilmente aveva già nel cassetto un modello adattabile); la NASA aveva chiesto che il suo peso non superasse i 500g, in realtà l’esemplare presentato arrivava 600 ma, considerando il poco tempo concesso e ancora a disposizione, l’Ente Spaziale accettò questo aggravio imprevisto; l’obiettivo non fu aggiunto alla dotazione Maurer e le motivazioni non erano legate alla progettazione ma a un difetto di assemblaggio: infatti il 23 Ottobre 1969 la Kern ricevette un reclamo dalla NASA in quanto i due esemplari di Switar 180mm 1:4,5 consegnati presentavano una separazione anomala di certi elementi ottici, il che pregiudicò il loro impiego; quest’anomalia venne poi spiegata da Kern col fatto che l’obiettivo presentava vari punti di incollaggio e che, per assoluta mancanza di tempo fra la commessa e il termine di consegna, i gruppi di lenti abbinati con lo speciale collante Epikol erano stati inseriti nella montatura meccanica definitiva prima di lasciare al prodotto il tempo sufficiente per una presa corretta, dando origine al problema.

Il progetto originale mostra uno schema interessante, un tipo Petzval evoluto e ottimizzato per ottenere una correzione di tipo apocromatico, perseguita adottando un tripletto collato anteriore ed altri due doppietti; il critico elemento multiplo anteriore, a maggiore ragione se (com’è probabile) è stata usata una lente a bassissima dispersione a base di fluoruri, con ridotta aderenza fisiologica ai collanti e dilatazione termica molto superiore a quella degli altri vetri, è probabilmente responsabile del problema: se gli Switar da 180mm sono stati sottoposti da NASA ad un severo ciclo di choc termici caldo/freddo, complice la messa in tensione meccanica del tripletto quando l’Epikol non era ancora indurita perfettamente e la differente dilatazione termica del vetro a bassissima dispersione rispetto agli altri, è possibile che si siano verificate scollature precoci; naturalmente queste considerazioni sulle ragioni del difetto sono meramente speculative.

Per illustrare lo schema ottico dello Switar 180mm 1:4,5 ho realizzato questo disegno dov’è chiaramente visibile il complesso tripletto anteriore, tipico di schemi apocromatici e sempre critico per quanto concerne l’incollaggio.

Questo brevetto presentato da Ludwig Canzek l’11 Febbraio 1971 illustra un teleobiettivo da 250mm la cui architettura eredita soluzioni applicate dallo stesso progettista nel 180mm NASA che aveva calcolato nella primavera di 2 anni prima; anche qui è presente un tripletto acromatico ma in questo caso non prevede vetri speciali a bassissima dispersione.

Questi obiettivi equipaggiarono la cinepresa 16mm Maurer Data Acquisition Camera del Lunar Module durante alcune missioni Apollo e, ad esempio, registrarono ad 1 fotogramma al secondo (quindi in time lapse accelerato) anche tutte le operazioni extraveicolari sulla superficie lunare durante la missione Apollo 11, quella del primo sbarco umano sul nostro satellite, documentando direttamente eventi fra i più significativi dell’esperienza umana: giusto riconoscimento ai meriti di un’azienda che ha fatto dell’eccellenza un proprio principio in formatore; ancora oggi, maneggiando piccoli gioielli Kern ormai vintage come le ottiche per Bolex, si prova un senso di profonda ammirazione per i materiali, le lavorazioni, le finiture, il design o le originali soluzioni meccaniche e si capisce come la Kern Aarau abbia creato davvero nuovi standard di perfezione che hanno stimolato tutti i brand concorrenti ad un generale implemento qualitativo.

Oggi la Kern Aarau non esiste più; conserviamo quindi il rispettoso ricordo di una grande, gloriosa realtà aziendale che vive, a buon diritto, nella storia.

Un abbraccio a tutti – Marco chiude.

Qui la prima parte: “Dai compassi alle Alpa”

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