中山大学1.2m望远镜天文光谱仪的研制(特邀)

中山大学计划在珠海校区大南山台址建设一座以1.2 m望远镜为核心的多功能天文观测设施。在无改正镜组条件下,望远镜可覆盖15′的全视场,并在消旋器下方设置一个八面体卡焦单元,容纳多个观测终端仪器,实现天文光谱观测和多色成像观测之间的功能切换。其中,天文光谱观测设备包括一台长缝光谱仪、一台高分辨率光纤光谱仪和一套波长定标装置。长缝光谱仪提供缝长≥5′、中低分辨率R=1000~3000的光谱观测功能,可针对星系、星团等扩展源目标进行有效观测。高分辨率光纤光谱仪提供高分辨率R≥30000、覆盖400~900 nm的单目标光谱观测功能,可针对特殊点源天体进行高精度化学丰度分析与视向速度测量。本文详细介绍了中山大学1.2 m望远镜配套的天文光谱仪器研制内容。

大型望远镜主镜室碳纤维桁架单元的优化

为适应光学红外望远镜口径不断增大的需求,降低驱动功率,应用碳纤维复合材料对望远镜主镜室桁架进行轻量化设计。对望远镜主镜室碳纤维复合材料桁架单元铺层进行优化设计,利用进化算法选取最优铺层方案。对望远镜主镜室桁架单元建模,并利用敏感性分析及进化算法选取最佳铺层方案,设计另外3种典型铺层方案进行对比,对桁架杆单元进行静力学分析和加载实验,对桁架杆组装成的六杆三棱锥单元进行模态分析和振动测试。有限元分析和实验结果对比表明:最优铺层方案为[±45°/90°/0°/90°/0°]s。有限元分析得到该方案桁架杆单元的等效轴向刚度为8.306×10^(6)N/m,实验测得为7.463×10^(6)N/m;有限元分析得到的等效径向刚度为3 968.3 N/m,实验测得为3 344.5 N/m。该方案六杆三棱锥单元模态分析得到一阶频率为93.699 Hz,振动测试测得一阶频率为84.683 Hz。复合材料桁架杆质量比同尺寸的钢结构杆减轻了77.6%,静力学性能与动力学性能均优于同质量钢杆。最佳铺层方案的有限元分析结果和实验结果表明其静力学性能及动力学性能均优于其他方案。

基于六杆机构的望远镜副镜支承的分析

建立了一种新型的6-PSS并联六杆机构的虚拟样机模型,重点分析了望远镜高度角等因素对杆力的影响,这些因素是六杆机构用于望远镜特别需要考虑的,总结出高度角从0°变化到90°,杆力的拉压状态变化次数比较少、杆所承受的最大力比较小的结构参数设置方法。

南极大型望远镜主镜运输的抗振缓冲系统

我国南极天文台规划有一台主镜口径2.5 m的光学红外望远镜。这台望远镜在国内制造,以大型装配体的形式运输到南极天文台,从南极边沿的中山站到南极内陆的昆仑站需要用雪橇车运输。雪橇车在一些路段振动剧烈。文中以这台望远镜主镜运输的抗振缓冲系统为研究目标,首先研究了隔振系统理论模型,用四端参数法分析了双层隔振系统的传输特性,然后研究了南极内陆科考队在雪橇运输中测得的振动数据,分析了考虑底支承力不均匀时主镜运输的许用动力学条件,提出了一种包含杠杆式缓冲结构和聚乙烯泡沫塑料结构的双层隔振系统,最后对这种隔振系统的性能进行了有限元分析与多体动力学研究。结果表明:所提出的抗振缓冲系统在南极实测得到的最极端冲击信号的作用下可以满足主镜模块最大加速度不大于5 g的要求,此时主镜模块的Z向运动范围约1.2 m,该缓冲系统具有实用价值,可以在南极2.5 m望远镜主镜的整体运输中使用。所提出的方法对其他脆弱结构的缓冲系统设计有参考价值。

主镜的新型轴向支撑及误差分析

针对传统Whiffletree机构存在刚性较差、自振频率和稳定性低的问题,提出了一种基于Whiffletree原理新型18点轴向支撑的设计方案。该方案采用高刚性和稳定性的消隙轴系机构。首先详细介绍了方案的设计原理,利用有限元软件对主镜轴向支撑进行优化设计,主镜最优面形的均方根(root mean square,RMS)值为1.6nm。然后采用D-H矩阵方法推导出轴向支撑的误差模型,与图解法相比,误差模型的最大误差为5.1%。最后利用误差模型建立极限位置误差的有限元模型,得到主镜面形的RMS值为2.6nm,分析结果满足设计指标所要求的RMS≤15.8nm。研究表明所提出的误差模型能够有效预测主镜面形,此方案设计合理。

丽江2.4 m望远镜耐焦卡焦切换系统的设计与分析

针对丽江2.4 m望远镜耐焦与卡焦不能自动切换的现状,设计了一套M3切换系统,实现焦点间快速切换,进一步提高望远镜的观测能力。首先对切换系统进行结构设计,介绍了系统的组成和实现方法,然后进行了精度分析及有限元分析,最后通过实验进行了标定和测试。有限元分析结果表明,在重力作用下反射镜的面形精度RMS<λ/60(λ=632.8 nm),切换系统的一阶模态达到了34.71 Hz,整个系统具有较好的刚度。实验测试表明,方位轴系和俯仰轴系的重复定位精度优于0.5″,平移机构的重复定位精度为1μm。该切换系统的性能指标达到了设计要求,并已装调于该望远镜且投入观测使用,同时也为类似望远镜的设计提供了参考。

新型副镜并联调整机构非线性特性及校正

为满足望远镜副镜结构定位精度的要求,提出一种固定杆长杆端轴向平移运动模式的六杆并联机构。从微分几何的观点研究了该机构输入关节空间向量与输出工作空间向量之间的非线性运动学特性,并采用曲率概念度量解轨迹的非线性弯曲。通过与雅可比矩阵的对比分析可知,采用曲率度量并联机构的非线性和采用雅克比矩阵反映的瞬时线性性质一致,所设计的副镜并联调整机构在整个运动行程范围内的最大非线性误差约为3.15μm。测试结果表明:采用多项式误差曲线拟合校正之后,该副镜调整机构三维平移重复定位精度小于2.6μm,二维旋转重复定位精度小于1.8″,满足实际望远镜观测的需要,采用的曲率度量法也可以为其他并联机构的非线性分析和校正提供一种新的思路。

一种新型副镜调整机构的位姿误差分析与测试研究

为了满足望远镜副镜结构定位精度的要求,提出了一种固定杆长杆端轴向平移运动模式的六杆机构.根据六杆机构的结构和运动模式,对影响末端位姿的各项误差进行了分析,重点讨论了滑块运动误差对六杆机构运行精度的影响,最后通过搭建多自由度位姿检测平台对六杆机构进行了测试.测试结果显示:该副镜六杆机构在整个运动行程范围内平移轴测试精度好于0.25μm,旋转轴测试精度好于0.2′′,两维旋转轴最大重复定位精度好于1.4′′,引起3维平移轴最大变化量<4μm,3维平移轴最大重复定位精度好于4.5μm,引起两维旋转轴最大变化量<3.4′′.分析和实验结果表明:导轨直线度引起的滑块运动误差是影响精度的主要因素,该六杆机构可以满足实际望远镜观测需要,可为我国建造大口径光学红外望远镜提供可靠的技术支持.