中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

随着天文学的进步，对天文观测设备的要求不断提高。为了提高光学望远镜对天体的探测能力，望远镜口径不断增大，主镜的支撑难度也随之变大，为了保证望远镜成像质量，其镜面支撑方式至关重要。本文基于1.93米望远镜的主镜侧支撑展开工程应用研究，该望远镜为一架具有高分辨率和高测光精度的精测望远镜。主镜侧支撑在支撑主镜并保证其面形的情况下，还需降低结构热变形对面形的影响。根据国内外多台望远镜侧支撑的设计案例，并结合柔性铰链技术开展了以下研究工作：
（1）首先分析了主镜在工作过程中可能面临的不同工作环境，讨论了材料选择需要考虑的因素，结合主镜使用条件确定了主镜材料为综合性能最优的微晶玻璃。确定了主镜的支撑方案，底支撑采用Whiffle-tree结构，侧支撑采用杠杆平衡重支撑，使用三根双关节柔性杆进行中心定位。最后确定主镜支撑组件的材料。
（2）对侧支撑结构进行了优化设计。因传统侧支撑结构使用的调心球轴承存在摩擦和间隙，侧支撑的支撑力精度较低，拟采用两自由度柔性铰链代替调心球轴承。柔性铰链的材料为TC4。通过理论分析了单膜片结构与双膜片结构的支撑刚度，最终确定使用双膜片结构，并进一步分析确定了柔性片的最佳尺寸，最后理论计算了柔性铰链的径向刚度和轴向刚度，并且进行了稳定性分析，均符合设计要求。
（3）使用有限元方法对柔性侧支撑结构进行了分析，其结果满足设计要求。分析了柔性铰链的应力和变形；分析了主镜在底支撑作用下的重力变形为0.098mm，侧支撑膜片在此变形情况下对主镜产生的轴向力为2.5N，膜片结构将轴向附加力从传统结构的60N降至2.5N，可有效降低对主镜产生的轴向附加力，保证主镜的面形精度。膜片在工作状态中，其最大应力为48.289Mpa，满足强度要求。对侧支撑整体结构进行了仿真分析，得出最大应力为110MPa，位于柔性铰链处，满足侧支撑强度要求。对主镜支撑结构整体进行了有限元仿真，得出在侧支撑完全工作时面型精度为RMS值为4.15nm，PV值为24nm。在温度22℃且天顶距分别为0°、30°、45°和60°，和天顶距90°且温度分别从22℃变化至为-30℃、0℃和30℃时，仿真结果均满足面形精度RMS≤λ/35(λ=632.8nm)的要求。
（4）对柔性铰链进行了实验验证。利用测力计测量支撑力，千分表记录位移，测试了不同柔性片厚度的柔性铰链支撑刚度，最终得到了柔性片厚度为0.5mm的柔性铰链径向刚度为5.7×107N/m，与理论径向刚度5.3×107N/m相近。本文对1.93米望远镜主镜进行了柔性侧支撑的技术研究，并且进行了理论分析、有限元仿真和实验测试，均可满足设计要求，可以为同类型望远镜主镜侧支撑提供设计依据。