大口径望远镜主镜能动支撑驱动器的个体设计和性能测试

　　1　引　言

　　众所周知,天文望远镜主镜的口径对目标观测效果起着决定性作用。从伽利略、开普勒至今,主镜孔径从几十毫米到几十米并仍不断发展。口径的增大,随之带来了总体体积和质量的几何倍增大,此时,由于受重力影响而产生的镜体变形、受风力影响而产生的镜面变形将对望远镜观测效果带来很大的影响[1]。为了减轻这种影响,国外近几年制造的口径在8m以上的主镜,大多采用了拼装镜技术,即把若干口径小,厚度薄的镜体加以组合,拼接成为大口径主镜。这种方法的益处显而易见,即镜体体积和质量都不再是影响镜面质量和观测效果的主要因素。但其同时也给对每个小镜体即时控制的控制系统提出了较高的要求。国外早期的大镜体望远镜,如10m口径的KECKⅠ、KECKⅡ[2],到近期的口径小于8m的望远镜,如VLT[3],SOAR[4],SUBARU[5]都采用了能动支撑系统来即时修正面形。

　　2　驱动器目标设计参数的确定

　　现确定目标设计参数的研究思路是:针对一个假想的主镜体,采用适当的支撑方式,在常规使用条件下,利用有限元方法进行模拟计算,计算结果中主要考察其工作镜面轴向方向的面形变化情况,然后利用对某些驱动器加载位移或者应力的方法,使得镜面面形调整到可接受范围内。

　　在镜体受作用以及镜面变形研究工作中,主要以弹塑性力学为理论基础,数值计算为途径,有限元模拟为主要计算方法,使用AL-GOR软件,建立模型,包括主镜体和支撑系统,其中主镜体的具体参数为:外直径4000mm,内直径600mm(厚径比接近1∶7[1]),镜面为正球形,中心厚度600mm,相对孔径1.5,材料熔石英。支撑系统中,主镜底面支撑方式为:驱动器位置以正六边形分布,驱动器安装圆间距300mm,直径100mm,驱动器数目168个,镜体边缘区域排布进行了优化,支撑排布如图1所示。

　　主镜侧面支撑主要以固定镜体和修正径向变形为主要目的,其中包含的驱动器不在考察范围内。边界条件,主要考虑重力和风力的影响,由于望远镜使用时观测目标方向的变化,故针对主镜摆放位置与重力方向成0°、30°、45°、70°情况下进行模拟计算,同时受风力影响,假设风速5m/s,方向保持水平。在以上条件下,设置位移或力的边界条件,目标是能使得主镜工作镜面面形变化量满足PV值小于30nm,由文献[1]可知,此时主镜面形符合天文望远镜观测要求。模拟过程举例说明,如图2,左边的图为主镜摆放位置与重力方向成0°时主镜工作镜面面形变化情况,可见其PV值在80nm左右,右边的图为修正后的镜面的情况,其PV值在20nm左右,中间的图就是此时镜体背后驱动器的作用情况,外缘黑圈和内缘黑点均为施加了力或者位移的驱动器安装位置,而其他类三角形则是自由度锁死的驱动器安装位置。