TMT望远镜三镜系统的研究进展

介绍30 m望远镜(TMT)的相关背景以及我国在TMT项目中承担的任务。从TMT三镜系统的总体要求出发,论述了三镜系统的两个主要部分(M3CA和M3PA)的具体要求、技术难点以及初步方案。针对M3CA,介绍了底支撑方案和侧支撑方案,采用Kinematic的底支撑方案时其面形精度RMS可以达到109.7 nm,SlopeRMS为0.95μrad,采用Kinematic的侧支撑方案时其面形精度RMS<15 nm,一阶谐振频率等于17.7 Hz,均达到了设计要求。针对M3PA,介绍了Tilt轴系和Rotator轴系的方案。最后,简要介绍了三镜控制系统(M3CS)的要求和目标。

30m望远镜三镜系统刚度分配与分析

为满足30m望远镜(TMT)三镜系统(M3S)对质量和刚度的要求,研究了合理分配该系统各部分刚度的方法。针对M3S的第一阶谐振频率不小于15Hz的要求,本文基于M3S的结构组成对模型进行适当地简化,然后使用前期设计数据建立了四质量点弹簧-质点模型。研究了三镜支撑系统支撑刚度的组成,使用特征值反解的方法得到了简化模型在6个广义方向上的刚度矩阵。最后,给出了系统中所有弹簧代表的刚度,并将这一简化模型和计算结果用来指导后期的结构设计和控制设计。使用运动学仿真软件Adams对分配结果进行了验证,验证结果显示,M3S各部分刚度配比合理,系统的基频能够达到15.1Hz,满足设计要求。采用本文的刚度分配方法,可以有效地提高系统设计的效率与合理性。

基于谱分析的30m望远镜三镜支撑结构地震分析

为了满足30m望远镜(TMT)三镜系统(M3S)对抗震性能的要求,对在返回周期为200年和1000年的地震载荷条件下的三镜支撑结构的性能进行了分析。首先,根据三镜支撑结构的特点,对TMT整体的地震响应谱进行了修正,得到了适用于三镜支撑结构的地震响应谱。然后,分析了三镜支撑结构在不同等级地震激励下的位移、应力和加速度响应。分析结果显示,当返回周期为1000年的地震从水平面内两个正交方向及竖直方向同时传递到三镜支撑结构中时,系统响应最大;此时,三镜支撑结构中各部件的最大加速度为2.844g,最大位移为1.544mm,最大应力为552.316MPa,三镜上最大应力为1.401MPa。根据材料力学性能可知,侧支撑杆会发生破坏,需要采取地震防护措施对三镜进行保护。本文在进行谱分析时较完整地考虑了各项因素,结果数据精确可靠,可为三镜系统的详细设计提供指导。

基于机构条件数的30m望远镜三镜Stewart平台

从误差传递的角度研究了30m望远镜(TMT)三镜大型Stewart平台的转动精度。首先,利用奇异值分析Stewart平台速度雅克比矩阵,得出机构条件数与支腿伸长量的关系。利用条件数与系统误差传递系数的关系推导出TMT三镜特殊运动形式下支腿伸长量误差与平台姿态误差的关系,并使用MATLAB优化平台结构参数得出一组优化解。然后,利用ADAMS对之前的理论推导进行仿真验证。最后,利用已知误差传递模型结合精度实验数据进行实验,辨识得出Stewart支腿伸长误差为均匀分布、动平台转动误差向量模为双峰分布。利用MATLAB进行模拟,模拟结果显示:假设支腿伸长误差为0到1之间均匀分布,动平台转动误差向量模的期望会由优化前的5.345 4×10-4变为优化后的4.272 1×10-4,优化量约为20%;转动误差分布的两个肩峰相互靠拢且向0点移动。

基于结构函数的大口径望远镜光机系统误差分配

从结构函数的角度分析和研究了大口径望远镜光机系统的评价方法。分析了基于结构函数的系统误差传递特性,利用功率谱反演得到大气扰动的数值模拟,并建立了基于结构函数的系统误差分配方法。将本文的方法应用于长春光学精密机械与物理研究所的1.23m口径望远镜进行了实验验证,结果证明了提出理论的正确性以及方法的可行性。最后将其应用于30m望远镜(TMT)三镜系统,研究了其在大气湍流下的印透效应,实验表明其在考虑了不同的视宁情况下,分辨印透峰的能力没有减弱。本文的研究对提高大口径望远镜的性价比,降低大口径望远镜在研制和使用过程中的技术风险颇有意义。

30m望远镜的三镜Rotator组件轴承概念设计

针对美国30m望远镜(TMT)三镜系统在工作时的特殊要求,对三镜系统的Rotator组件轴承进行了设计,提出了在载荷连续变化条件下轴系的设计方法。通过分析该系统独特的运动和受力方式并对比现有大型望远镜结构形式,确定了三排滚柱支撑的轴系方案及轴承结构参数。计算中将天顶角定义为变量,确定了轴承的最恶劣工况及此时的望远镜指向。采用了数值计算和有限元仿真的方法对这一条件下的轴承变形和应力同时进行校核,两种方法得到的结果符合得很好,证明了模型的正确性。结果表明,天顶角为0°～65°时,轴承在x、y、z方向上的变形不超过0.015mm,轴承倾角不超过1.7×10-5 rad,满足设计要求,并留有很大裕度。

30m望远镜三镜镜面面形误差的斜率均方根评价

由于传统的均方根方法在评价大口径反射镜时难以精确表达光学表面的中空间频率误差,本文提出了基于斜率均方根(SlopeRms)的误差评价方法来评价光学表面面形。该方法先以Zernike多项式拟合光学表面面形,在此基础上求解不同空间间隔上的斜率均方根。这种评价方法可以很好地区分小尺寸磨削工具造成的误差和大口径反射镜在多点支撑下造成的面形误差。文中建立了SlopeRms的数学模型,推导了SlopeRms的计算方法,并以此方法为基础对30m望远镜(TMT)三镜面形进行了评价。结果显示,采用斜率均方根的评价方法得到的光学表面面形值达到0.9μrad,优于传统的RMS评价方法(RMS=115nm),满足设计要求。结果显示,基于斜率均方根的误差评价方法能更加全面和客观地评价大口径反射镜面形,具有实际意义。

巨型科学可控反射镜缩比模型系统抖动检测

为了更好地对三十米望远镜三镜,即巨型科学可控反射镜(Giant Steerable Science Mirror,GSSM)的抖动(Jitter)特性进行研究,利用信号的复数表达分别分析了时域积分与频域积分的特性,明晰了二者之间的关系,并从积分精度的角度上,选择频域积分作为GSSM Jitter数据的处理方法。同时,对比了高精度编码器以及高精度加速度计对抖动测量的适用性,验证了使用加速度计测量的合理性。针对GSSM内部振动的影响,选择频响函数法测量内部作用力。最后,对GSSM缩比模型进行了Jitter检测,得到镜面方向Jitter为0.079 7μm,方位轴方向为14.143 2 mas,俯仰轴方向为20.747 5mas,内部作用力为0.003 3N。

30 m望远镜三镜系统初步设计与分析

为保证30 m望远镜(thirty-meter telescope,TMT)聚集的光线顺利进入各个终端设备,设计了一套适用于30 m望远镜的精密跟踪指向三镜系统.该系统包含有基于Whiffle-tree原理的三镜支撑系统设计和采用地平式结构的跟踪指向系统设计2两个部分.通过参数化建模手段,在ANSYS中建立了系统的详细模型,联合Matlab完成了98个主要工况下的静力学分析后,对镜面面形结果以及结构变形情况进行了统计总结.最后将面形误差引入到ZEMAX中,分析了三镜面形变化对光学调制传递函数的影响.结果表明:98个工况下三镜位置与理想位置最大偏差为1.28 mm,系统的第一阶谐振频率为15.1 Hz,各工况下三镜面形精度均满足指标要求.三镜面形误差对系统MTF影响较大,但通过主镜主动光学校正后可以明显提高成像质量,满足使用要求.通过分析可知,该方案能够满足30 m望远镜项目的需求.探索与解决巨型望远镜的这些技术问题能够大大提高中国在超大口径光学望远镜上的设计和制造能力,并为建设中国下一代巨型望远镜积累丰富的经验.

30m望远镜宽视场光谱仪支撑结构选型研究

针对30 m望远镜宽视场光谱承载能力与轻量化程度低的问题,对于已有的桁架支撑结构方案,提出了宽视场光谱仪板壳支撑结构方案。建立了两者的有限元模型,分别从质量、变形、应力与基频等方面对铟钢桁架和铟钢板壳结构性能进行了评价,利用等刚度理论确定了碳纤维复合材料板壳结构的构件厚度,并与铟钢板壳结构的性能进行了对比。研究结果表明:碳纤维复合材料板壳支撑主结构质量为1.93 t,最大相对位移为0.286 mm,最大应力为30.94 MPa,基频为7.98 Hz,均满足设计要求,是宽视场光谱仪支撑结构的理想形式,对大口径望远镜光学仪器支撑结构选型与设计具有指导意义。