中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

随着天文观测对望远镜分辨率与集光能力要求的不断提高，大口径光学望远镜已成为探索宇宙的核心仪器。大口径主镜作为望远镜的关键光学元件，其面形精度直接决定成像质量。本文以地基专用天体测量望远镜的4.2米平凹形薄主镜为研究对象，围绕其在重力、温度等多场耦合作用下的面形控制问题，系统开展了主镜支撑系统的设计与优化研究，旨在实现主镜面形精度的技术要求。
首先，本文调研了国内外大口径望远镜主镜支撑系统的发展现状，重点分析了4米级望远镜的轴向与径向支撑结构。针对4.2米平凹形薄主镜（径厚比约11.7），采用有限元方法建立了主镜支撑系统精细化模型，并引入Zernike多项式对镜面变形进行拟合与评价。在轴向支撑设计中，基于薄板弯曲理论确定了90点五圈同心圆排布的支撑方案，通过多目标遗传算法与二次拉格朗日量的非线性规划算法相结合的优化策略，对支撑环半径与支撑力进行优化，最终使镜面变形RMS值降至10.3nm，满足设计要求。在径向支撑方面，系统比较了多种支撑形式的优劣，提出了40点非等角间距“上拉下推”径向支撑方案，并结合轴向主动支撑进行辅助优化。经过多轮迭代，实现径向支撑下主镜面形RMS值为12.1 nm，验证了主动光学在径向支撑中的必要性。
为进一步评估支撑系统的工程适应性，本文开展了主镜在典型温差条件下的热变形分析，结果表明在轴向与径向1∘C温差下，经主动支撑校正后镜面变形满足冷湖台址夜间观测要求。同时，分析了轴向和径向粘接殷钢垫后的支撑效果，确认其对镜面精度无显著影响。安装误差分析揭示了轴向与径向支撑中位置与力幅值偏差对面形的影响规律，为实际装配提供了指导。
本文工作为4.2米平凹形薄主镜支撑系统的工程实现提供了理论依据与数据支撑，所提出的优化方法与分析流程可为同类大口径望远镜主镜支撑系统设计提供参考。
本文主要创新点包括：（1）对于4.2米平凹形整镜的支撑系统设计，在国内比较少见，由于其高径厚比导致的低刚度与强重力敏感性问题，需要设计精密的支撑系统来确保其表面变形较小；（2）提出了多目标遗传算法和二次拉格朗日量的非线性规划算法进行结合优化，这样可以较好且快速地寻找到全局最优方案。