中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

近年来，天文观测和空间科学研究的深入，探索更遥远、更暗弱星体的目标被提出，天文望远镜的口径也因此增大。相应的，与望远镜配套的终端仪器的线性尺寸也逐渐增大，仪器因自重、温度等引起的结构变形也随之增大。因此，对大型光机结构进行结构优化设计十分重要。本文的研究对象极大望远镜宽视场光谱仪准直镜长 1580mm，宽 800mm，为大型离轴抛物面反射镜，是光谱仪内部的重要结构，其面形精度对光谱仪性能有重要影响。因此，对准直镜进行轻量化及支撑结构的优化设计，对其自身以及光谱仪都具有十分重要的意义。

根据反射镜的设计要求，为其选定 Zerodur 作为镜体材料，Zerodur 密度较小，热物理性能优秀，可镀膜性良好，在大型镜体的制备中具有广泛的应用。根
据反射镜的质量和面形的指标要求，对其进行轻量化结构的设计。通过对几种轻
量化形式的优缺点进行对比，确定反射镜为背部全开放式轻量化结构。研究了三
角形、四边形和六边形轻量化孔的减重率与轻量化单元形式，选择三角形孔对镜
体进行轻量化。利用多目标优化设计方法，以镜体质量和镜面面形为目标函数，对镜体结构进行优化，得到一个平面对称的轻量化镜体结构。

对比了两种矩形反射镜常用的背部多点支撑方式和周边粘接固定支撑方式，均不适用于准直镜。根据准直镜的形态特征及工作状态，设计了一种定位点在反射镜的侧面，主体支撑结构为六支空心圆柱杆的柔性支撑系统。该柔性支撑系统可使准直镜在一定的角度范围内进行姿态调整。对比了几种大型反射镜支撑系统中常用的柔性铰链的优缺点，以Cartwheel式带圆角短直梁柔性铰链为基础，设计出一种适合准直镜支撑系统柔性铰链。该铰链在正交的两个方向上具有相同的柔度，上下两平台均可产生旋转。通过建立设计尺寸之间的函数关系式，减少系
统设计变量，以整个系统质量和反射镜面形 PV 值为优化目标，使用 Screening
和 MOGA 相结合的多目标优化算法，对准直镜柔性支撑系统进行结构优化，得
到系统质量为 229.2kg，面形 PV 值为 168.2nm，满足指标要求。通过热力学分析得到在保证要求的面形精度的前提下，以 22℃为参考环境温度，系统工作温度的变化范围为 20℃-23.7℃。在地面随机振动的影响下，系统能够保证结构稳定，运行安全。在研究周期及预算等条件的限制下，对准直镜柔性支撑系统进行 1/3 缩尺模型试验。基于相似理论，利用量纲分析法对系统的原型与缩尺模型之间各物理量之间的关系进行分析。利用有限元分析对理论关系进行了验证，证明缩尺模型能够良好、准确地模拟原型的响应及特征。对缩尺模型实物进行面形检测，检测结果显示其光学系统属于“准完善系统”，证明了缩尺模型试验的可行性。