三十米中國(guó)未來巨型望遠(yuǎn)鏡主桁架結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)

導(dǎo)讀

隨著天文學(xué)日新月異的發(fā)展，人們對(duì)天文望遠(yuǎn)鏡性能的需求也越來越嚴(yán)格,。為滿足人們對(duì)宇宙空間更好的探索,，目前國(guó)際上正積極地建設(shè)口徑位為20 m-40 m量級(jí)的極大口徑光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡。但是由于技術(shù)的限制,，實(shí)現(xiàn)更大口徑的望遠(yuǎn)鏡并達(dá)到對(duì)應(yīng)的光學(xué)設(shè)計(jì)要求仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn),。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所胡守偉提出了一種提出了一種新的輕量化鈑金焊接結(jié)構(gòu)的30 m中國(guó)未來巨型望遠(yuǎn)鏡方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大量的有限元建模,、優(yōu)化和仿真分析,，為我國(guó)未來巨型望遠(yuǎn)鏡的研制提供了技術(shù)參考。

1.極大望遠(yuǎn)鏡主桁架結(jié)構(gòu)介紹

典型案例

目前,，所有極大望遠(yuǎn)鏡如30米望遠(yuǎn)鏡（TMT）,、歐洲極大望遠(yuǎn)鏡（E-ELT）、巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（GMT）等的解決方案都是基于“搖椅概念（rocking chair concept）”而進(jìn)行設(shè)計(jì)的,。然而,，各極大望遠(yuǎn)鏡解決方案的區(qū)別主要體現(xiàn)在高度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，如圖1所示,。

圖1.極大望遠(yuǎn)鏡三維設(shè)計(jì)圖

TMT最初的主鏡桁架變形量大約為10 mm,，在桁架結(jié)構(gòu)的外圍底部增加了一層支撐桿件之后，其主鏡桁架支撐變形量可以控制在5 mm以內(nèi),。

E-ELT主鏡桁架支撐采用的鋼架橋結(jié)構(gòu)模式,，它是由受彎的上部梁結(jié)構(gòu)與承壓的下部立柱整體結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)。E-ELT主桁架支撐結(jié)構(gòu)最大位移為5.92 mm,。

GMT的主鏡是由多塊鏡面組合的,，而不是常見的拼接鏡面。其高度結(jié)構(gòu)采用的是輕量化焊接組件支撐方式,，這種設(shè)計(jì)無需考慮頂層節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)問題,。

新提出的設(shè)計(jì)方案

極大望遠(yuǎn)鏡的不同實(shí)現(xiàn)方式,，最主要的區(qū)別在于高度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上。該文章提出了一種新的高度焊接結(jié)構(gòu)支撐方式,，這種設(shè)計(jì)將非常利于拼接鏡面子鏡室和搖椅架結(jié)構(gòu)的接口連接,，如圖2所示。  

圖2.30米中國(guó)未來巨型望遠(yuǎn)鏡主體桁架結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

該高度結(jié)構(gòu)是一種輕量化的等格柵焊接結(jié)構(gòu),，等格柵網(wǎng)格由一系列鈑金組件組成,，通過沿不同方向延伸的一系列肋條彼此焊接，并使用三角形結(jié)構(gòu),，整體結(jié)構(gòu)力流的傳遞采用拱形鋼架橋模式,，這種設(shè)計(jì)可以使支撐結(jié)構(gòu)達(dá)到輕質(zhì)且各向同性的效果。

這種等柵格結(jié)構(gòu)的制造和裝配比傳統(tǒng)的M1支撐結(jié)構(gòu)空間桁架的解決方案更簡(jiǎn)單,。該結(jié)構(gòu)還可以減輕主鏡結(jié)構(gòu)和副鏡結(jié)構(gòu)關(guān)于高度軸系不平衡帶來的配重設(shè)計(jì)難題,。等格柵結(jié)構(gòu)允許在鏡子下方有更多的開放空間，以便以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)從下方到鏡子的維護(hù),，這在空間桁架的情況下是很難實(shí)現(xiàn)的,。

2.分析與討論

模態(tài)分析

為了評(píng)估該30 m CFGT望遠(yuǎn)鏡方案結(jié)構(gòu)的性能，使用ANSYS進(jìn)行建模,，采用質(zhì)量單元對(duì)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)儀器和反射鏡進(jìn)行建模，主鏡M1每塊子鏡單元質(zhì)量為270 kg,，副鏡單元質(zhì)量為2 t,，三鏡質(zhì)量為1.2 t。

當(dāng)指向天頂和水平方向時(shí),，望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的主要特征頻率如表1和表2所示,。

表1.中國(guó)未來巨型望遠(yuǎn)鏡指向天頂時(shí)的模態(tài)值

表2.中國(guó)未來巨型望遠(yuǎn)鏡指向水平時(shí)的模態(tài)值

望遠(yuǎn)鏡第一模出現(xiàn)在M1桁架中心，表現(xiàn)為扭曲變形,。經(jīng)過仔細(xì)分析以及研究發(fā)現(xiàn),，為了避免高度軸系側(cè)向液壓支撐出現(xiàn)過約束現(xiàn)象，采用圖3所示的液壓油路設(shè)計(jì),，該設(shè)計(jì)將在后續(xù)文章中展開,。

圖3.最新高度軸液壓whiffletree控制系統(tǒng)

表3展示了該設(shè)計(jì)與GMT、TMT以及E-ELT主模態(tài)頻率的對(duì)比,，其第一頻率略好于TMT的2.0 Hz,，這主要是因?yàn)榈雀駯藕附咏Y(jié)構(gòu)具有高剛度-重量比的優(yōu)勢(shì)。

表3.中國(guó)未來巨型望遠(yuǎn)鏡與其他極大望遠(yuǎn)鏡主模態(tài)頻率對(duì)比

結(jié)構(gòu)變形

望遠(yuǎn)鏡的主桁架結(jié)構(gòu)變形主要是由重力,、溫度以及穩(wěn)態(tài)風(fēng)載荷引起的,，下面展開了對(duì)這三種原因的分析。

分析結(jié)果表明,，望遠(yuǎn)鏡在重力載荷作用下,，指向天頂和水平方向時(shí)最大變形值分別為3.8 mm和2.9 mm,，其中大部分為剛體位移，并不影響光學(xué)變形,， M1如圖4所示,。并且其主鏡M1主桁架支撐結(jié)構(gòu)在指向天頂時(shí)的總變形為4.65 mm，去除剛體位移后的相對(duì)位移不超過1.9 mm,。

圖4.在重力載荷方向作用下的靜態(tài)變形,。（a）指向天頂；（b）指向水平

在環(huán)境參考溫度為22°C的條件下,，從望遠(yuǎn)鏡方位軸結(jié)構(gòu)底部開始施加0.12°C/m的線性函數(shù)溫度載荷,，望遠(yuǎn)鏡整體結(jié)構(gòu)最大變形不超過1.2 mm。

在10 m/s（在順風(fēng)方向與正交方向的等效靜態(tài)作用力大約分別為10 kN和25 kN）靜態(tài)風(fēng)載荷作用下的最大變形為0.13 mm,，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小,。

圖5.望遠(yuǎn)鏡在溫度（a）和穩(wěn)態(tài)風(fēng)載荷（b）作用下的靜態(tài)變形

3.結(jié)論

該文章針對(duì)30米中國(guó)未來巨型望遠(yuǎn)鏡的主體桁架設(shè)計(jì)，提出了一種新穎的鈑金組件結(jié)構(gòu)方案,。經(jīng)過有限元分析,，初步設(shè)計(jì)滿足了望遠(yuǎn)鏡相關(guān)使用要求，最低諧振頻率大于2 Hz,，主鏡支撐結(jié)構(gòu)相對(duì)變形小于1.9 mm,，該方案提供了非常好的剛度-質(zhì)量比以及堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)支撐。下一階段的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作將強(qiáng)調(diào)光學(xué)組件（如拼接主鏡,、副鏡支撐等）的詳細(xì)設(shè)計(jì),、局部結(jié)構(gòu)的剛性增加和動(dòng)力特性分析。

論文原文：胡守偉,，張勇,，王躍飛，等. 三十米中國(guó)未來巨型望遠(yuǎn)鏡主桁架結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)[J]. 光電工程,，2022,，49(6): 210402.DOI: 10.12086/oee.2022.210402

源自于：光行天下