中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

太阳探测领域是我国天文学、物理学和天文仪器科学的重要研究方向之一。随着地基太阳望远镜研制技术的不断进步，针对太阳的精密观测能力也获得大幅提升。大口径的太阳望远镜单位时间内受到的辐射强度很高，主镜受热温度升高会产生主镜体的热变形，影响主镜表面面型精度。此外，直接暴露在空气中的高温主镜会加热周围的大气，在主镜周围形成空气紊流，扰乱主镜上方的空气域，导致明显的视宁度效应，影响太阳望远镜的成像质量。因此太阳望远镜的主镜温度控制是太阳望远镜设计和加工过程中不可或缺的关键技术，必须对太阳望远镜进行特殊的热设计，并对太阳望远镜的主镜温度进行实时性的控制，以保证主镜反射面的面型精度、成像质量以及光学系统的运行稳定性。
基于目前我国的技术发展进程与未来的科研目标，我国亟需寻求科学可行的提升观测能力和发展革新观测技术观测仪器的路线，形成一套属于自己的大口径太阳望远镜设计研制体系，研究制订一套系统性的、有普遍适用价值且精准高效的主镜温度控制解决方案。本文以理论计算、结构建模、整体系统设计、仿真分析、改进优化和实验测试为技术路线，主要讨论了太阳望远镜主镜的温度控制方法，并结合2.5米大视场高分辨率太阳望远镜WeHoST、中国巨型太阳望远镜CGST等科学装置和太阳观测仪器，针对不同类型的太阳望远镜主镜进行热环境的分析以及温度控制系统的研究。
本文重点研究的科学对象是2.5米大视场高分辨率太阳望远镜WeHoST的主镜系统，建立了主镜室结构以及循环式的空气冷却链路的模型，其中包括冷却空气的产生、流动、引导、抵达主镜背面的热交换和回收再循环路线，而后详细计算了太阳望远镜的热环境情况。分析了冷却空气在流场中产生的湍流现象，基于流动效率、与主镜体换热的能力、主镜面与环境温度差以及主镜反射面温度分布的均匀性为目标参数进行了流场的计算流体力学分析和优化的工作。最终共经过了5个阶段13种不同流场方案的设计对比分析，最终方案下主镜反射面温度场的分布情况均匀，主镜反射面的平均温为20.064℃，最高温和最低温之间的差值为0.809℃，与环境温度之间的差异最大值减小到0.411℃。此状态下主镜面整体区域的温度一致性很高，热变形和局部应力处于理想状态，其中主镜表面热变形量最大值不超过0.11μm，经镜面面型拟合得到与标准面型偏差的RMS值为9.67nm。对太阳望远镜主镜表面面型的影响程度达到预期范围以内。接着对环境温度低于20℃时的多种不同情况进行了跟踪变化能力的详细比对，以保证这套主镜温度控制系统能够适应不同的大气环境温度条件。此外还验证了在计算流体力学仿真过程中的网格无关性、残余误差收敛性，证明计算结果的真实性与有效性，提出了完整的实验测试方案和步骤。
本文基于正在预研阶段的8米中国巨型太阳望远镜CGST，讨论了对大口径拼接薄镜面太阳望远镜的主镜温度控制方法的研究。其中包括主镜背面的冷却空气系统设置布局的简单构想，大口径拼接薄镜面太阳望远镜的背面冷却空气射流换热以及气刀系统换热的布局思路和简要的分析结果。
本文所做研究可以为未来的大口径太阳望远镜主镜温度控制系统的技术研究工作提供理论基础、预研数据和重要思路。