空间太阳望远镜主光学望远镜热效应分析

　　0 引 言

　　为摆脱地面观测时大气层的影响以及只能在白天对太阳进行观测的时间的限制， 我国已开始研制“空间太阳望远镜 ”(SST)。 空间太阳望远镜的科学任务是以太阳磁元结构和演化过程为突破点， 通过协同的、 多波段的和不间断的对太阳磁场和速度场的观测，研究太阳磁流体力学过程中多种瞬变和稳态现象[1]。 空间太阳望远镜将以其 1 m 口径的主光学望远镜 (MOT) 实现 0.1″~0.15″空间分辨率和 0.007 5 nm光谱分辨率的太阳磁场观测。 空间太阳望远镜在730 km 太阳同步轨道运行 ， 对日成像工况时 ， 约有1 000 W 热量直接进入主光学望远镜 。 此外 ，空间环境温度本身还具有多变性和不确定性， 这些温度因素带来的热效应对 SST 在轨实现 0.1″成像分辨率的影响是巨大的。 因此， 热效应分析和热控成为实现SST-MOT 极高分辨率成像的技术难点之一 。

　　SST-MOT 主成像系统由 1 m 口径的抛物面反射镜、透镜式准直镜和透镜式成像镜组成，其抛物面主镜和准直镜安装在圆柱形桁架结构的主镜筒中。 其中，对 MOT 成像性能最敏感的是主镜的面形变化和主镜与准直镜之间相对位置的变化。 根据MOT 在轨实现 0.1″ 对日成像分辨率的需求 ， 由温度 变 化 引 起 的 主 镜 面 形 热 畸 变 量 应 小 于 λ/20 ~λ / 40 RMS(λ=633 nm)。

　　1 主镜筒热状况分析

　　1.1 热流分布状况分析

　　SST-MOT 主镜筒为圆柱形桁架结构，长约 4.5 m，直径约 1.2 m。 主镜室组件和准直镜组件位于主桁架构成的镜筒内部(见图 1)。 主桁架由 4 层环梁和腹杆(斜杆)组成。 主镜室在桁架的后端，内装有直径为 1 m 的主镜及其支撑结构，主镜室外壳为直径1.2 m 的薄壁圆筒结构 。 主桁架前端有连接三脚支撑的准直镜结构。 光轴上距抛物面主镜顶点 3500 mm处是主镜的焦点，在主镜的焦平面上设有一视场光阑，开口大小为 2.85 mm×1.53 mm，对 应 望 远 镜 成像视场为 2.8′×1.5′， 它限制进入望远镜筒经主镜反射后到达主镜焦平面的有效视场外的那部分光线，这些光线被视场光栏挡住，不再能向后传播进入准直镜。

　　可以看出，SST -MOT 主镜筒质量大、体积大、结构复杂、热界面较多、热交换复杂，因此热控设计难度很大。 尤其是为了达到可见光波段 0.1″成像分辨率，对于 1 m 口径的主镜，其面形热畸变量应小于λ/20~λ / 40 RMS(λ=633 nm)，其对温度控制的精度要求远大于一般望远镜的设计要求。 SST 对日观测，进入主镜筒内的全日面太阳光是视场角为 32′的平行光，经主镜筒前端准直镜的中心遮拦后，太阳光直接射向主镜和镜筒内壁， 图 1 为主镜筒内部热流分布示意图。