宋家寶，李國平

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，南京 210042；2.中國科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210042;3.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049)

從1608年第一臺望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明到現(xiàn)在，望遠(yuǎn)鏡的口徑從當(dāng)初的幾厘米增大到現(xiàn)在的8～10m，望遠(yuǎn)鏡制造的相關(guān)技術(shù)在不斷地改進(jìn)和革新。如今，鏡面拼接和自適應(yīng)光學(xué)是建造地面大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的兩項(xiàng)重要技術(shù)。Keck望遠(yuǎn)鏡首先應(yīng)用鏡面拼接技術(shù)建成了世界上第一個10米級的大型望遠(yuǎn)鏡。此后，一批10米級的望遠(yuǎn)鏡相繼建成并投入使用，如HET，GTC，SALT等。此外，國外拼接鏡面口徑達(dá)30m的TMT[1]和42m的E-ELT[2]望遠(yuǎn)鏡都已在設(shè)計(jì)和建造中。我國30m級大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡CFGT也在緊密的預(yù)研中。

1 國際上主要的大型拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡

表1 國際上主要的大型拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡[1-3]

2 主鏡總造價與子鏡尺寸

目前，國際上大型拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡采用的子鏡幾乎都是六邊形，顯然這是由于六邊形的中心對稱性使得采用六邊形子鏡有很多方面的優(yōu)點(diǎn)。就拼接主鏡而言，拼接子鏡尺寸的選擇也是一個關(guān)鍵，對于一個大口徑的主鏡，其子鏡的尺寸大小也有其優(yōu)缺點(diǎn)[4-5]。以選擇較小的尺寸為例：子鏡可以做得更薄，質(zhì)量更輕，減少了制造設(shè)備、檢測、運(yùn)輸?shù)幕ㄙM(fèi)；降低了支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；減少了單塊子鏡的非球面度，減少了各個子鏡位置誤差對拼接鏡面成像質(zhì)量的影響。但與此同時其缺點(diǎn)也很明顯：增加了位置傳感器、位置促動器的數(shù)量和子鏡模型數(shù)量；增加了望遠(yuǎn)鏡的重量和子鏡裝配的難度；使控制系統(tǒng)更加復(fù)雜。因此，選擇適當(dāng)?shù)淖隅R尺寸對望遠(yuǎn)鏡的整體造價有著很大的影響。

在已建造和待建造的大型拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡中，絕大部分子鏡的尺寸在1～2m之間。圖1為主鏡總造價與子鏡尺寸大小關(guān)系的一個參數(shù)示意圖[4]。

圖1 主鏡總造價與子鏡大小關(guān)系參數(shù)圖Fig.1 Cost of a primary mirror vs. its segment size

圖中對比了口徑分別為15m，20m，30m級主鏡的總造價與子鏡尺寸的聯(lián)系。主鏡總造價考慮了鏡胚、子鏡磨制、促動器、傳感器以及子鏡支撐結(jié)構(gòu)等多方面的造價。虛線為36支撐點(diǎn)，實(shí)線為18支撐點(diǎn)。圖中所示造價為選擇子鏡尺寸提供了一個參考，由于一些費(fèi)用數(shù)據(jù)是估計(jì)得到的，故圖中數(shù)值不能作為精確的造價值。

3 六邊形子鏡與扇形子鏡

采用六邊形子鏡拼接鏡面只是一種方法。用扇形子鏡來拼接鏡面就是一種很有特色的方案。表2列舉了六邊形子鏡的優(yōu)缺點(diǎn)[5]，表3列舉了扇形子鏡的優(yōu)缺點(diǎn)[5]。

表2 六邊形子鏡的優(yōu)缺點(diǎn)

表3 扇形子鏡的優(yōu)缺點(diǎn)

4 模型分析和比較

要建造30m級口徑的大型望遠(yuǎn)鏡，采用拼接鏡面是必然的。目前，采用六邊形子鏡的拼接鏡面已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但是，采用扇形子鏡拼接成大型鏡面在世界上還沒有實(shí)際的應(yīng)用。在六邊形子鏡拼接技術(shù)不斷成熟的條件下，如果要采用扇形子鏡拼接大型鏡面，就必須在預(yù)研時做夠充分的分析和比較，得到確切的結(jié)果。顯然，這是一項(xiàng)繁雜的比較工作，在此主要做扇形子鏡支撐方面的初步分析比較。

圖2為30m級口徑的拼接主鏡，六邊形和圓環(huán)扇形子鏡拼接鏡面各取一半的對比示意圖。

圖2 六邊形和圓環(huán)扇形子鏡排列示意圖Fig.2 Comparison of arrays of hexagonal and sector-shaped segments

圖3 扇形圓環(huán)子鏡尺寸示意圖Fig.3 Dimensions of a sector-shaped segment

文中拼接主鏡由810塊扇形圓環(huán)子鏡拼接成15個同中心的環(huán)面，從內(nèi)至外共15環(huán)。第1環(huán)有12塊然后每環(huán)遞增6塊，到第15環(huán)則為156塊。圖3為扇形圓環(huán)子鏡尺寸示意圖，每環(huán)子鏡的具體尺寸值見表4。

表4 各環(huán)扇形子鏡的尺寸

在參閱了很多大型拼接鏡面的子鏡的尺寸以及相應(yīng)的支撐點(diǎn)數(shù)目[1-2，6]后，文中六邊形子鏡和扇形子鏡均采用18點(diǎn)支撐，如圖4。扇形和六邊形子鏡的材料選用是德國SCHOTT公司的微晶玻璃ZERODUR，玻璃材料ZERODUR的機(jī)械性能常數(shù)如下：彈性模量9.03e10Pa，密度2.53e3Kg/m3，泊松比0.247。六邊形子鏡邊長57.7cm,厚5cm。子鏡厚度均取為5cm。

由于扇形拼接主鏡最內(nèi)5個環(huán)的子鏡扇形角度太大，為了得到較好的鏡面支撐效果，其支撐方式與其他環(huán)的扇形子鏡的支撐方式有所不同。

圖4 六邊形和扇形子鏡的18點(diǎn)軸向支撐Fig.4 Hexagonal and sector-shaped segments with 18 axial-support points

子鏡采用不同的支撐方式，支撐點(diǎn)數(shù)目和支撐點(diǎn)位置，得到的鏡面RMS值會有很大的差異。支撐點(diǎn)數(shù)目太少，鏡面在自重的作用下會變形過大，影響鏡面精度；支撐點(diǎn)數(shù)目太多，會給鏡面帶來較大的波紋起伏，并且增加成本和工作難度[7]。六邊形子鏡的支撐[1-2]在多篇文章中已有詳盡的研究，在此主要探討扇形子鏡的18點(diǎn)的最優(yōu)支撐。

在對扇形子鏡采用不同的支撐分布對比分析后，4-5-5-4的行排列支撐方式[6]，即如圖4中(c)圓環(huán)扇形子鏡(6～15環(huán))支撐最為合適。要得到最優(yōu)的鏡面支撐效果，每一環(huán)的鏡面支撐點(diǎn)間的距離也就各不相同。取第11環(huán)子鏡為例，子鏡厚5cm,具體尺寸如表4中所示，用ANSYS建立模型，如圖5：劃分網(wǎng)格(a)，節(jié)點(diǎn)數(shù)2600多個，計(jì)算在自重作用下鏡面在水平位置0°(b)，傾斜45°(c)，垂直90°(d)的變形。從圖5中的(b)可以看到：在此支撐點(diǎn)排列下，鏡面變形均勻，接近最優(yōu)支撐分布。

(a)扇形子鏡的網(wǎng)格劃分 (b)水平位置時鏡面的變形(a)Finite-element grid of a sector-shaped segment (b)Surface distortion of a sector-shaped segment laid horizontally

(c)傾斜45°時鏡面的變形 (d)垂直位置時鏡面的變形(c)Surface distortion of a segment 45° from vertical (d)Surface distortion of a segment put vertically圖5 第11環(huán)扇形子鏡的網(wǎng)格劃分和在不同位置時的鏡面變形Fig.5 Finite-element grid and surface distortion of a sector-shaped segment in the 11th ring

對于六邊形子鏡，采用已有的優(yōu)化支撐方式[2]，用ANSYS建立模型，子鏡邊長57.7cm,厚5cm，如圖6：劃分網(wǎng)格(a)，節(jié)點(diǎn)數(shù)2600多個，計(jì)算在自重作用下鏡面在水平位置0°(b)，傾斜45°(c)，垂直90°(d)的變形。

(a)六邊形子鏡的網(wǎng)格劃分 (b)水平位置時鏡面的變形 (a)Finite-element grid of a hexagonal segment (b)Surface distortion of a hexagonal segment laid horizontally

(c)傾斜45°時鏡面的變形 (d)垂直位置時鏡面的變形(c)Surface distortion of a segment 45° from vertical (d)Surface distortion of a segment put vertically 圖6 六邊形子鏡的網(wǎng)格劃分以及在不同位置時的鏡面變形Fig.6 Finite-element grid and surface distortion of a hexagonal segment

用ANSYS分別計(jì)算出在自重作用下六邊形子鏡和扇形子鏡各自在水平位置，傾斜45°，垂直位置時鏡面的變形量。依次導(dǎo)出子鏡模型在不同位置時鏡面各節(jié)點(diǎn)軸向位移參數(shù)，將其導(dǎo)入Excel工作表中計(jì)算出鏡面變形RMS值。六邊形子鏡模型只有一種，扇形子鏡模型從內(nèi)環(huán)到外環(huán)依次編號為1，2，…，15。計(jì)算所得RMS值如表5。

表5 各子鏡在水平、垂直、傾斜45°位置的鏡面變形參數(shù)

5 結(jié) 論

在ANSYS分析中，六邊形子鏡和扇形子鏡模型的材料特征參數(shù)，鏡面面積，厚度都相同，子鏡支撐點(diǎn)數(shù)目均為18，并優(yōu)化了支撐位置。在相同的網(wǎng)格劃分程度下，鏡面模型劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)均為2600多個。計(jì)算分析得到的結(jié)果表明：在面積和支撐點(diǎn)數(shù)目均相同的條件下，扇形子鏡在理論上可以獲得與六邊形子鏡近似的鏡面RMS值，但是由于不同環(huán)數(shù)之間其子鏡的形狀各不相同，要使每環(huán)子鏡都得到最優(yōu)或接近最優(yōu)的鏡面精度，就必須確定每環(huán)子鏡各自的最優(yōu)支撐位置。與六邊形子鏡同一的外形和相同的支撐結(jié)構(gòu)相比，在實(shí)際應(yīng)用中扇形子鏡的支撐，鏡面調(diào)控將面臨更大的難度和復(fù)雜性。但制造扇形子鏡只需少量的子鏡模型數(shù)目使扇形子鏡保留著很好實(shí)用前景。

[1] Eric C Williams,Cnrtis Baffes,Terry Mast,et al.Advancement of the Segment Support System for the Thirty Meter Telescope Primary Mirror[J].SPIE，2008，7018:701810.

[2] Lluis Cavaller,Juan Marrero,Javier Castro.Design of the primary mirror segment support system for the E-ELT[J].SPIE,2008,7012:70121F.

[3] Xuefei Gong.Design and Analysis of Support System of LAMOST Primary Mirror[J].SPIE,2003,4837:667-674.

[4] Terry Herter,Bernhard Brandl,Steve Eikenberry.The Large Atacama Telescope(LAT)Project[J].SPIE,2003,4837:1-10.

[5] Steph E Strom,Larry Stepp.Giant Segmented Mirror:a point design based on science drivers[J].SPIE,2003,4840:116-129.

[6] 孫守雄,王國民.大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡扇形子鏡支撐方法的探討[J].天文研究與技術(shù)—國家天文臺臺刊，2008,5(2):176-181.

Sun Souxiong,Wang Guomin.Support Technique of Giant Sector-shaped Segmented Mirror Telescope[J].Astronomical Research & Technology,2008,5(2):176-181.

[7] 高明輝,楊近松，何斌，等.超薄反射鏡支撐技術(shù)[J].光學(xué)技術(shù),2003,29(5):611-613.

Gao Minghui,Yang Jinsong,He Bin,et al.Support Technique of Ultra Thin Mirror[J].Optical Technique,2003,29(5):611-613.