极轴式望远镜主镜支撑结构对镜面变形的影响

　　0 引言

　　极轴式也叫赤道式，为补偿地球的自转，其一根传动轴与地球的自转轴平行，叫做赤经轴或极轴;另一根与其相互垂直，称为赤纬轴。极轴的转动是目标经度的变化，赤纬轴的转动是目标纬度的变化。在极轴式望远镜的视场上，星体位置没有相对转动，在观测条件最好的天顶位置没有跟踪盲区[1]。主镜室系统是望远镜最为关键的部件之一， 主镜的面形精度直接决定了望远镜的成像质量， 而由于极轴式望远镜的运动方式较为特殊， 这就对主镜的支撑结构提出了更高的要求。为了保证其结构的刚度和稳定性，特别是主镜的面形精度，在设计阶段就要根据望远镜的技术要求及影响因素进行分析和综合考虑[2]。

　　文中以口径为700mm 的极轴式望远镜主镜室系统为例，根据其工作特点确定了一套主镜支撑方案，借助于有限元分析软件MSC.Patran， 详细地建立主镜室系统的有限元模型， 分析了支撑系统综合作用对主镜面形的影响，绘制出其镜面变形误差PV 值和RMS 值的变化曲线，并与面形检测结果进行了对比。

　　1 主镜室系统的组成

　　主镜室系统主要包括：主镜、轴向支撑、径向支撑、芯轴、底板、前压紧和防转组件， 其几何模型如图1 所示。该主镜为平凹单拱结构形式，其材料为微晶玻璃(Zerodur)，外径为700mm，中心孔直径为196 mm，中心厚为75.55mm，镜面双曲面曲率半径为1977.5 mm，质量为71.6 kg。

　　主镜支撑示意图如图2 所示。其轴向支撑设计是基于三点定一平面的原理， 采用无定向三角板支撑系统，即Whiffle-tree 结构。优化确定其支撑垫组合形式为963 ，支撑半径为：内圈半径R1=162 mm，外圈半径R2=285.5 mm[3-9]。

　　对于不同形式的望远镜，其径向支撑不同。作为地平式系统， 其主镜的面形精度只受绕水平轴的俯仰运动的影响，与方位轴的转动不相关，而极轴式望远镜的主光学系统在跟踪目标过程中既要绕极轴转动，又要绕赤纬轴转动，主镜的面形精度受两轴复合运动的影响，径向支撑力的变化复杂。该主镜径向支撑力选用竖直向上均匀承重推拉支撑形式[3-4]，且每个侧支撑力Fn=1/6 G，合力作用线通过主镜重心，以免对主镜产生额外扭矩[10]。结构上选用沿主镜外圆均匀分布的6 点杠杆平衡重机构， 在主镜处于不同工作位置时， 各浮动点的支撑力自动适应重力方向的相对变化而同步变化，方向始终与重力相反，支撑力可以通过调节重锤的质量或杠杆力臂而改变。采用Whiffle-tree 和杠杆平衡重两种浮动支撑组合方式的优点是： 仅将主镜室变形中的平移和倾斜分量传递到主镜上; 只引起主镜的平移和倾斜刚体位移，并不影响成像质量;只引起指向准确度误差[6]。