地基大口径望远镜结构设计及主镜热控研究

发布时间：2020-04-23 22:25

【摘要】：光学望远镜作为天文观测、激光通信等应用的主要光电探测设备,随着系统分辨率要求的提高,所需口径越来越大。良好的指向重复性和成像质量是现代大口径望远镜工作的必要条件。随着望远镜口径的增大,系统的重力惯性与热惯性急剧增大,严重影响望远镜的成像质量。近几十年来,望远镜的研制过程中发展了许多新技术,比如现代光学、力学、计算机技术、自动控制和精密机械技术等。这些新技术的出现,突破了望远镜口径的限制,并且降低了望远镜造价,简化了望远镜结构,使得望远镜技术朝更大口径、更广应用领域迅速发展。根据应用领域的不同,望远镜的关键技术有所区别。因此,应该基于不同的需求指标分别对望远镜的关键技术进行优化求解。为了满足望远镜的指向精度与成像质量要求,本文以理论计算,结构设计,仿真分析,试验验证为技术路线,以数米口径望远镜为研究对象,针对影响望远镜关键性能的跟踪架结构与主镜展开了研究。论文的主要内容与具体成果如下:1.光学望远镜的发展现状的概述。为了获得高精度、高分辨率的成像质量,望远镜正在向更大口径、更高分辨率、更多系统集成等方向发展。然后本文简述了环境对望远镜成像质量的影响,并总结了国内外现有大口径望远镜的主动热控方案,进而控制望远镜系统内部的温度梯度以及主镜与外界环境的温差,保证系统成像质量。2.基于滚动轴承的数米级跟踪架关键技术研究。以数米级口径望远镜为研究对象,简述了望远镜的指向精度及影响因素,然后对跟踪架的关键技术进行了分析;根据应用需求,望远镜方位轴系采用大角接触与径向密珠一体化轴承,俯仰轴系采用一端止推,一端游动的圆柱滚子轴承支撑方案;运用拓扑优化理论对望远镜的大型结构件进行了优化设计,并对结构件进行了力学的有限元分析,得出优化后的大型结构件的结构刚度高的同时减小了质量与转动惯量,实现了大型结构件的轻量化。3.大口径光学望远镜跟踪架系统级的力学分析及试验验证。本文对望远镜跟踪架进行系统级的有限元分析,讨论了系统在重力作用下的变形与应力,对变形结果进行分析,系统能保证光学元件相对位置的稳定性,结果满足静承载能力要求。然后对系统进行了模态分析,提取了模态频率与振型,一阶模态高,有力地保证了系统抗风载与地震波等外界干扰的能力。利用LMS系统对某一平台上的小口径地平式望远镜进行了模态试验,结果表明系统的低阶模态峰值显著、振型与大口径望远镜仿真结果一致,达到了大小口径望远镜相互验证的目的,同时验证了大口径望远镜结构设计的合理性和有限元仿真的正确性,为结构的优化提供了依据与指导。4.望远镜蜂窝孔轻质主镜反射面的热控技术的研究。介绍了望远镜主镜的形状及所处的热环境,并对主镜在设计初期进行了模型等效,用等效模型温度场的解析解预估轻质镜的温度场;仿真分析了主镜在自然对流环境下的成像质量,反射面面形结果无法满足望远镜观测要求,提出了热控的必要性。根据主镜面形指标,设计了主镜反射面气刀热控系统,并对热控系统的形式、参数等进行仿真优化,优化后的热控系统可以在反射面形成均匀化、精细化的流场,反射面热边界层和主镜面残余热得到了有效的控制,同时成像质量满足望远镜的观测需求。5.轻质主镜热控缩比试验研究。为了验证大口径主镜气刀热控系统的有效性与可行性,根据相似理论提出并建立了Φ630 mm的融石英轻质镜气刀热控缩比系统,在高低温实验室进行缩比试验,测试了不同的热边界条件对主镜特性的影响。最后基于相似π定理反推气刀热控条件下大口径望远镜主镜的特性,为大口径望远镜主镜热控系统的具体设计提供参考;同时相似理论为大口径望远镜的其它研究提供了借鉴意义。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH743

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