中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

人类设计了多样的望远镜来探索宇宙奥秘，光学望远镜最先被发明并用于天体观测中，至今已有四百多年。为了探测到微弱的星光，天文望远镜的技术在一直进步，口径不断变大，分辨率也越来越高。大口径望远镜有多个观测焦点，安装了不同科学目标的终端仪器。为了实现不同焦点的切换，折转反射镜起关键作用，通过折转反射镜的位姿切换与变动将光束引入不同的观测仪器。 

为了研究折转反射镜的运动机构方案，根据望远镜的光学系统焦点设置，将折转反射镜的切换类型主要分成两类：共面多通道切换及空间多通道切换。为实现不同焦点切换，折转反射镜有不同的运动自由度，分析了运动机构的结构特点及关键技术。针对两类主要的切换类型，总结其特点，提出几种满足使用的切换方案，并对各轴系的定位精度进行具体分析。对特殊的反射镜切换类型，以12米光学/红外望远镜（LOT）为例，提出一种双反射镜的切换方案。以丽江2.4m望远镜的耐焦自动切换系统工程实例，详细设计了切换系统的结构组成，通过有限元仿真、理论计算及实验测试，验证了反射镜的面形精度及各个轴系的定位精度与重复定位精度等指标均已满足设计要求。目前切换系统已经装配于该望远镜上，并已投入观测。具体工作内容包括： 

（1）针对共面多通道折转反射镜切换，提出了串联式与混联式的切换方案，并针对每种切换方案，进行了轴系设计及分析。对于折转反射镜的运动轴系进行静态误差及系统动态误差分析，并使用多体系统对折转反射镜切换系统进行数学建模，分析了切换系统装配于望远镜上时，折转反射镜的指向误差。 
（2）针对空间多通道折转反射镜切换类型（此处特指具有卡焦的望远镜），提出串联式与混联式的切换方案，对每个切换方案的轴系组成进行详细介绍，并分析了各运动轴系的定位精度； 
（3）针对12米光学/红外望远镜（LOT）的折转反射镜切换，提出一种双反射镜的切换方案，并对该切换方案进行了定位分析，并通过有限元分析了结构的重力变形对反射面的角度变化，建立了俯仰轴角-反射面偏转角的相应表格，可以通过轴系进行补偿； 
（4）为了实现丽江2.4m望远镜的焦点自动切换，设计了一套折转反射镜切换系统。该方案为一种空间多通道折转反射镜切换方案的应用，采用串联式的切换方案，并对系统的各个轴系进行详细设计及分析。对切换系统的结构通过有限元方法仿真计算了静力学变形、模态、热力学仿真，并分析了在工作状态中，重力变形对反射镜面形偏转的影响。有限元分析得到，该切换系统装配体的静力学变形最大沉降为0.24mm，位于俯仰机构的配重块；一阶模态为34.7Hz，薄弱处为支撑叶片；随着镜筒的角度旋转，反射面的偏转角度不大，可以通过软件实时补偿。通过理论分析，计算了各个轴系的定位精度，最后装配、调试及实验测试。

实验测试得到，旋转机构的最大定位误差为1.25″，俯仰机构的最大定位误差为1.10″，平移机构的定位误差3μm，数据处理后得到三个运动机构的重复定位精度（RMS）分别为：0.46″、0.42″及1μm，达到了设计指标。经过理论分析、有限元仿真及实验测试，论证了该切换系统的性能参数达到了使用要求。