望远镜主镜温度场理论计算及主镜视宁度分析

提出了地基望远镜主镜在环境温度变化时的温度场理论模型,结合分离变量法和格林函数法求解出温度场的解析表达式。运用温度场理论解,分别以熔石英和BK7两种常用材料为例,在特定环境条件下,定量分析了传统主镜和薄主镜的主镜视宁度与主镜口径之间的关系;针对4m口径的传统主镜和薄主镜定量分析了其主镜视宁度与周围空气温度下降斜率的关系。地基望远镜主镜温度场理论计算的结果在主镜设计阶段对主镜视宁度的估量具有较大的参考价值。主镜温度场理论解还可以运用于各种口径及材料的主镜热变形及热应力计算等方面,具有普适的参考价值。

基于温度场理论的望远镜主镜视宁度及“气刀”效应分析

综合考虑非线性气温环境和主镜视宁度表面"气刀"强制对流换热,对地基望远镜主镜瞬态温度场理论模型进行研究,结合分离变量法和格林函数法求解出温度场的解析表达式。以4m主镜为例,运用温度场理论模型解析解,对主镜视宁度进行了分析计算。分析了"气刀"对主镜视宁度的改善效果;讨论了"气刀"风速与主镜视宁度的关系;分析了不同径厚比对主镜视宁度的影响。利用有限元方法分析4m主镜温度场,与所推导的温度场理论结果进行比较,二者获得了较好的一致性。主镜温度场理论解在望远镜主镜设计中具有普适的应用价值。

大口径主镜热边界层热控对成像质量影响分析

随着望远镜口径的增大,主镜热惯性增大,主镜温度相对于环境温度的滞后性引起反射面热边界层形成热湍流波动,严重影响望远镜成像质量。介绍了一种基于CFD仿真和光程差累积的计算方法评估主镜反射面热边界层的湍流波动对成像质量的影响。以3.0 m口径的主镜为例,仿真计算了自然对流下和强迫对流下不同温升的反射面热边界层分布,将热边界层的流场参数转化成折射率场分布,采用光程差累积法得到反射面热边界层的成像质量。结果可以定量地描述反射面热边界层对成像质量的影响;验证了现有天文观测要求主镜反射面与环境温差小于±2 K的合理性;同时证明了主镜反射面热控措施使得强迫对流下的光程差比自然对流下的下降了一个数量级,显著提高了主镜视宁度,进一步表明反射面热控措施对改善成像质量具有重要意义。

地基大口径望远镜主镜热控的设计原则及方式

热问题贯穿了望远镜设计的各个方面,而且随着望远镜口径的增大,温度对望远镜的工作性能和稳定性的影响也越来越明显。望远镜的主镜作为望远镜系统中关键的光学元件,对望远镜的成像质量有着重要的影响,为了克服主镜视宁度对望远镜成像质量和望远镜主镜温度梯度导致的热变形对望远镜成像质量的影响,对望远镜主镜温度进行合理地控制显得十分的必要和重要。本文结合国外大口径望远镜,详细论述了现代望远镜主镜热控的原则,总结了望远镜热控设计的方法,并进行了相应的探讨,为今后的大口径望远镜的主镜热控设计提供一定的参考价值。

基于CFD软件的桁架式望远镜遮光筒扰流分析

遮光筒会影响主镜上方的空气流动,不利于主镜表面与周围空气的热交换。以兴隆基地50 cm望远镜为例,应用CFD软件分析了两种消杂散光装置(遮光筒和独立挡光环结构)对主镜区域气流运动和温度的影响。同时根据温度数据计算主镜视宁度。分析结果表明,遮光筒会造成温度分布不均匀、湍流影响范围大、非对称的漩涡绕流等影响。独立挡光环结构的情况下,主镜视宁度减小74%。由此说明,在主镜散热和空气流通方面,主镜遮光筒有较大弊端。将该分析方法与杂散光分析结合,可合理选择杂散光抑制方案,对望远镜设计及改造具有一定参考和应用价值。