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2m级地基望远镜SiC主镜轻量化设计及支撑技术研究

范磊  
【摘要】:随着地基望远镜口径的不断增大,在集光能力和分辨力不断提高的同时,最大限度地提高主镜面形精度和降低支撑系统重量是望远镜研制的重要指标。其中,SiC轻量化主镜的广泛应用为大口径主镜支撑技术的发展提供了新方向。 作为一种新型光学材料,SiC具有比刚度大,导热性和镜面抛光良好等优点,但较Zerodur和ULE等传统大口径光学玻璃材料的热膨胀系数要大,增加了支撑结构设计的难度;另外,随着口径的增大,镜面的光学加工、主镜的装调检测等都对支撑的设计提出新的要求。 为此,本论文以2040mm口径SiC主镜的轻量化设计及支撑技术作为研究对象,综合考虑了主镜镜坯的制备、光学加工、定位装调、温度影响和后续开展主动支撑试验的需求,运用理论计算和有限元分析等方法,完成了该主镜支撑的仿真分析和结构设计。具体研究内容如下: 首先,分析总结了大口径主镜支撑设计的基本原理和一般方法;指出被动支撑是开展主镜支撑设计的基础,并通过分析主动和被动支撑之间的关系,提出力促动器是实现由被动支撑到主动支撑结构模块化设计的桥梁;进而综合考虑各方面因素,确定了主镜支撑的总体方案。 接着,结合SiC轻量化主镜的制备工艺,运用参数化建模方法,进行了轻量化结构的优化设计,最终主镜轻量化率达77.6%,满足设计要求。根据主镜支撑在光学加工和实际工作两个工况下所受载荷的不同,确定轴向支撑分别为等力浮动支撑和不等力校正支撑,对应的结构形式分别采用液压Whiffletree加工支撑和力促动器工作支撑。当主镜在加工支撑下产生0.025λ (λ=632.8nm)的低频残余误差时,运用有限元方法,通过对工作支撑力的优化,光轴竖直时,校正后的镜面变形RMS值为4.32nm(约0.007λ)。针对径向支撑,基于切向剪切支撑原理,提出了适合于该SiC轻量化主镜结构的等角间距等支撑力切向剪切支撑,经优化计算,光轴水平时,镜面变形RMS值为1.8nm(约0.003λ)。 然后,从主镜定位和装调的角度出发,根据机构运动学原理,引入主镜的“硬点”定位概念。介绍了主镜加工和工作两种支撑中硬点定位的特点和功能,着重考虑了望远镜工作运行时对主镜支撑刚度的要求,完成了轴向和径向硬点刚度的设计计算;并详细介绍了主镜支撑系统的机械装调和监测方案。 进而,利用有限元法,探讨了主镜在不同温度载荷下的热变形。提出在轴向和径向支撑中分别采用柔性细长杆和杠杆平衡重结构来满足主镜自由热变形的要求。优化了细长杆的长径比,结果显示选用直径3mm的细长杆,当杆长为120mm时,支撑能很好地满足设计要求。针对轴向温度梯度下主镜热变形较大的问题,提出了适合轻量化主镜结构的阵列式空气喷嘴热交换的温控方法。 最后,在前面分析的基础上,完成了主镜液压Whiffletree加工支撑和工作支撑的工程化结构设计和建模。针对主镜的工作工况,进行了支撑系统的静力学、动力学和热力学的相关分析,结果显示,在0°~90°俯仰角范围内,主镜最大重力变形RMS值为3.24nm (约0.005λ);支撑系统的一阶谐振频率为47.9Hz;在-30℃~30℃稳态温差范围内,镜面变形满足主镜自由热变形要求。 本文研究的大口径主镜支撑技术,综合考虑了SiC主镜的制备、加工、装调和实际工作,很大程度上提高了主镜的轻量化率和镜面面形精度,通过在工作支撑中应用力促动器为后续开展相关主动支撑研究建立了接口,实现了主动和被动支撑的模块化设计。对于开展大口径SiC主镜支撑技术的研究,本文具有广泛的借鉴意义和参考价值。


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