大型望远镜轴系支撑结构的发展现状与分析

　　1 引 言

　　大型光电望远镜作为光电探测的典型设备， 在世界各国的军事、 天文等研究领域发挥着极其重要的作用。 随着 1992 年和 1998 年美国两台 KECK 望远镜的先后成功运行， 世界大型光电望远镜的发展已进入了 10 m 时代， 目前正在服役的 5~10 m 口径光电望远镜有十余台。 但同时， 针对 4 m 级以下口径光电望远镜的研究仍然十分活跃， 这是由于: (1) 4 m级口径的望远镜可以满足大多数针对时变现象的长周期气象和天文研究， 并已经开始采用自适应光学、主动光学等先进技术， 还能为与之相配套的各种探测仪器提供快速而廉价的实验平台; (2) 2 m 级口径的望远镜可以满足一般观测， 在价格和建造时间上也占有很大优势， 并具有轻便及可移动等特点，可用于辅助大型望远镜的工作， 典型的例子是在智　　利 Cerro Paranal 观测站 4 台 8.2 m VLT 望远镜旁的4 台 1.8 m 辅助望远镜， 如图 1 (a) 所示; (3) 在建造 4 m 级口径的大型望远镜前， 研究人员通常先建造一个口径在 1~2 m 的缩比模型望远镜， 能够快速地对一些即将应用在大型望远镜上的光学和电子设备、 轴系结构、 驱动和支撑方案以及测量方法等进行初步验证。 例如， 3.7 m AEOS 望远镜的制造商　　L3 Communications Brushear 公司就通过在先期制造的 1 m， 1.5 m 口径望远镜上对直流力矩电机、 感应同步式编码器、 柔性控制系统、 低轨卫星成像系统等进行了大量实验， 如图 1(b)、(c)、(d)所示。

　　通过对相关资料分析可以看出， 国外特别是美国， 由于开始研究较早， 资金投入大， 技术实力雄厚， 拥有 L3 Communications Brushear， Vertex RSI，General Dynamics SATCOM Technologies 等多家世界著名的大型望远镜研制厂商， 具备设计、 加工、 装调、 检测和运输等一系列技术和相关经验， 已成功建造的和正在建造的 4 m 级望远镜占总数的一半以上， 能够在天文、 军事等多领域实现对空间目标的追踪、 观测、 激光通讯等各种探测目的， 拥有极强的战略、 科研优势。 其中 3.5 m SOR 星火靶场望远镜和 3.7 m AEOS 先进光电系统望远镜是美国重要的军用光电探测设备， 如图 2 所示， 它们也代表了世界上最先进的军用光电望远镜设计制造水平， 其余望远镜属于天文观测设备。

　　跟踪架是承载望远镜系统光电测量设备的机电一体化平台。 从 90 年代开始设计的 4 m 级光电望远镜跟踪架都已经放弃了传统的极轴式结构， 而改用地平式结构， 它包含绕水平线旋转的俯仰运动和绕垂直线旋转的方位运动， 即俯仰-方位轴系 (Altitude-azimuth shafting)， 又称为水平-垂直轴系， 如图 3 所示 (图中为美国 3.7 m AEOS 军用望远镜)。 这种结构具有结构简洁、 体积小、 造价低、 圆顶小而轻、随动系统简单、 位置稳定性好、 可为多个光学测量设备提供接口和承载平台等诸多优点[1-5]。