三十米中國未來巨型望遠鏡主桁架結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計

導(dǎo)讀

隨著天文學(xué)日新月異的發(fā)展，人們對天文望遠鏡性能的需求也越來越嚴格。為滿足人們對宇宙空間更好的探索，目前國際上正積極地建設(shè)口徑位為20 m-40 m量級的極大口徑光學(xué)紅外望遠鏡。但是由于技術(shù)的限制，實現(xiàn)更大口徑的望遠鏡并達到對應(yīng)的光學(xué)設(shè)計要求仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所胡守偉提出了一種提出了一種新的輕量化鈑金焊接結(jié)構(gòu)的30 m中國未來巨型望遠鏡方案，并在此基礎(chǔ)上進行大量的有限元建模、優(yōu)化和仿真分析，為我國未來巨型望遠鏡的研制提供了技術(shù)參考。

1.極大望遠鏡主桁架結(jié)構(gòu)介紹

典型案例

目前，所有極大望遠鏡如30米望遠鏡（TMT）、歐洲極大望遠鏡（E-ELT）、巨型麥哲倫望遠鏡（GMT）等的解決方案都是基于“搖椅概念（rocking chair concept）”而進行設(shè)計的。然而，各極大望遠鏡解決方案的區(qū)別主要體現(xiàn)在高度結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，如圖1所示。

圖1.極大望遠鏡三維設(shè)計圖

TMT最初的主鏡桁架變形量大約為10 mm，在桁架結(jié)構(gòu)的外圍底部增加了一層支撐桿件之后，其主鏡桁架支撐變形量可以控制在5 mm以內(nèi)。

E-ELT主鏡桁架支撐采用的鋼架橋結(jié)構(gòu)模式，它是由受彎的上部梁結(jié)構(gòu)與承壓的下部立柱整體結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)。E-ELT主桁架支撐結(jié)構(gòu)最大位移為5.92 mm。

GMT的主鏡是由多塊鏡面組合的，而不是常見的拼接鏡面。其高度結(jié)構(gòu)采用的是輕量化焊接組件支撐方式，這種設(shè)計無需考慮頂層節(jié)點的對應(yīng)問題。

新提出的設(shè)計方案

極大望遠鏡的不同實現(xiàn)方式，最主要的區(qū)別在于高度結(jié)構(gòu)的設(shè)計上。該文章提出了一種新的高度焊接結(jié)構(gòu)支撐方式，這種設(shè)計將非常利于拼接鏡面子鏡室和搖椅架結(jié)構(gòu)的接口連接，如圖2所示。  

圖2.30米中國未來巨型望遠鏡主體桁架結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

該高度結(jié)構(gòu)是一種輕量化的等格柵焊接結(jié)構(gòu)，等格柵網(wǎng)格由一系列鈑金組件組成，通過沿不同方向延伸的一系列肋條彼此焊接，并使用三角形結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)力流的傳遞采用拱形鋼架橋模式，這種設(shè)計可以使支撐結(jié)構(gòu)達到輕質(zhì)且各向同性的效果。

這種等柵格結(jié)構(gòu)的制造和裝配比傳統(tǒng)的M1支撐結(jié)構(gòu)空間桁架的解決方案更簡單。該結(jié)構(gòu)還可以減輕主鏡結(jié)構(gòu)和副鏡結(jié)構(gòu)關(guān)于高度軸系不平衡帶來的配重設(shè)計難題。等格柵結(jié)構(gòu)允許在鏡子下方有更多的開放空間，以便以簡單的方式實現(xiàn)從下方到鏡子的維護，這在空間桁架的情況下是很難實現(xiàn)的。

2.分析與討論

模態(tài)分析

為了評估該30 m CFGT望遠鏡方案結(jié)構(gòu)的性能，使用ANSYS進行建模，采用質(zhì)量單元對非對稱結(jié)構(gòu)儀器和反射鏡進行建模，主鏡M1每塊子鏡單元質(zhì)量為270 kg，副鏡單元質(zhì)量為2 t，三鏡質(zhì)量為1.2 t。

當(dāng)指向天頂和水平方向時，望遠鏡結(jié)構(gòu)的主要特征頻率如表1和表2所示。

表1.中國未來巨型望遠鏡指向天頂時的模態(tài)值

表2.中國未來巨型望遠鏡指向水平時的模態(tài)值

望遠鏡第一模出現(xiàn)在M1桁架中心，表現(xiàn)為扭曲變形。經(jīng)過仔細分析以及研究發(fā)現(xiàn)，為了避免高度軸系側(cè)向液壓支撐出現(xiàn)過約束現(xiàn)象，采用圖3所示的液壓油路設(shè)計，該設(shè)計將在后續(xù)文章中展開。

圖3.最新高度軸液壓whiffletree控制系統(tǒng)

表3展示了該設(shè)計與GMT、TMT以及E-ELT主模態(tài)頻率的對比，其第一頻率略好于TMT的2.0 Hz，這主要是因為等格柵焊接結(jié)構(gòu)具有高剛度-重量比的優(yōu)勢。

表3.中國未來巨型望遠鏡與其他極大望遠鏡主模態(tài)頻率對比

結(jié)構(gòu)變形

望遠鏡的主桁架結(jié)構(gòu)變形主要是由重力、溫度以及穩(wěn)態(tài)風(fēng)載荷引起的，下面展開了對這三種原因的分析。

分析結(jié)果表明，望遠鏡在重力載荷作用下，指向天頂和水平方向時最大變形值分別為3.8 mm和2.9 mm，其中大部分為剛體位移，并不影響光學(xué)變形， M1如圖4所示。并且其主鏡M1主桁架支撐結(jié)構(gòu)在指向天頂時的總變形為4.65 mm，去除剛體位移后的相對位移不超過1.9 mm。

圖4.在重力載荷方向作用下的靜態(tài)變形。（a）指向天頂；（b）指向水平

在環(huán)境參考溫度為22°C的條件下，從望遠鏡方位軸結(jié)構(gòu)底部開始施加0.12°C/m的線性函數(shù)溫度載荷，望遠鏡整體結(jié)構(gòu)最大變形不超過1.2 mm。

在10 m/s（在順風(fēng)方向與正交方向的等效靜態(tài)作用力大約分別為10 kN和25 kN）靜態(tài)風(fēng)載荷作用下的最大變形為0.13 mm，對結(jié)構(gòu)的影響較小。

圖5.望遠鏡在溫度（a）和穩(wěn)態(tài)風(fēng)載荷（b）作用下的靜態(tài)變形

3.結(jié)論

該文章針對30米中國未來巨型望遠鏡的主體桁架設(shè)計，提出了一種新穎的鈑金組件結(jié)構(gòu)方案。經(jīng)過有限元分析，初步設(shè)計滿足了望遠鏡相關(guān)使用要求，最低諧振頻率大于2 Hz，主鏡支撐結(jié)構(gòu)相對變形小于1.9 mm，該方案提供了非常好的剛度-質(zhì)量比以及堅固的結(jié)構(gòu)支撐。下一階段的望遠鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計工作將強調(diào)光學(xué)組件（如拼接主鏡、副鏡支撐等）的詳細設(shè)計、局部結(jié)構(gòu)的剛性增加和動力特性分析。

論文原文：胡守偉，張勇，王躍飛，等. 三十米中國未來巨型望遠鏡主桁架結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計[J]. 光電工程，2022，49(6): 210402.DOI: 10.12086/oee.2022.210402

源自于：光行天下