大型光学天文望远镜风载作用分析

　　0　引　言

　　由于天文望远镜台址一般都在高海拔山区,风载作用是影响天文望远镜正常工作的主要的环境干扰因素之一。传统的中小型光学天文望远镜一般设有随动圆顶或风挡,观测中风载对望远镜正常工作的影响不大,因而望远镜的设计和控制一般不考虑风载作用。从20世纪80年代以来,众多8—10m口径级的大型天文望远镜,相继提出并建成,由于考虑克服圆顶视宁度和镜面视宁度的影响,观测中多采用对圆顶内环境和望远镜系统进行适当的通风,甚至采用展开圆顶的开放式观测[1—4]。望远镜圆顶或围档可以用来有效地衰减风载直接对镜面的作用,但同时也使破坏了风的流场,产生较小尺度的涡流,破坏圆顶内视宁度[1,2]。本世纪以来,20m以上口径的未来极大望远镜项目也已相继提出,在技术上可能更多地采用开放式观测模式,望远镜的镜面则采用主动光学技术,将直接承受风载的作用[5]。而风载能量主要分布在低频区,接近望远镜结构的共振频率和主动光学系统控制频率,这对于采用开放式观测和主动光学技术的大型天文望远镜的正常跟踪和像质保证是极其有害的。

　　本文首先回顾了大型天文望远镜风载作用的分析方法,详细介绍了随机风载的性质和采用风速功率谱密度方法进行随机风载分析的过程,并介绍了采用有限元方法分析建模的方法;文中还以我国在建的大天区多目标光纤光谱望远镜LAMOST的反射施密特改正镜为例,建立了一个拼接镜面主动光学望远镜的完整计算模型,研究了其拼接子镜及望远镜整体在风载作用下的静态和动态响应,分析了风载对镜面面形和望远镜的跟踪指向精度的影响。

　　1　风载作用研究内容和方法

　　由于风载对于望远镜结构和镜面的作用将直接影响望远镜的控制和像质,风载的作用及望远镜的风载响应的研究得到了越来越多的重视,现代天文望远镜在设计阶段均进行风载影响的研究。主要研究方法有:

　　1)首先在望远镜候选安装台址上监测和统计风速,作为台址选择的重要评价因素[3]。如美国两台Gemini望远镜对位于南北半球的两个台址均进行了系统的风速监测;我国LAMOST望远镜的设计也参考了其所在的兴隆台址的风速资料。

　　2)在有的望远镜设计中采用缩小模型进行水洞或风洞试验,研究风载对望远镜及圆顶/风挡的作用[7]。水洞和风洞试验需要专门机构实施,比较昂贵,而且,由于模型尺度和传感器分布的局限和雷诺数的差异,试验并不能给出准确预测风载作用,特别是不能给出望远镜和风之间的动态相互作用[3]。

　　3)在现有类似台址和望远镜上进行风速和风压实测,根据获得的统计数据作为新望远镜的设计依据。如在欧洲NTT望远镜上获得的风载统计数据为Gemini望远镜的设计提供了重要参考;在日本Nobeyama 45m口径射电望远镜上获得的风载作用数据为研究风载对望远镜的指向和跟踪性能的影响提供了重要的研究数据[3, 6]。