1.2m望远镜次镜支撑结构设计

研制了一个用于1.2m望远镜的次镜支撑结构,以满足其对刚度和伺服系统带宽的要求。首先,对影响主镜遮拦和支撑系统刚度的四翼梁进行研究。使用动力学建模方法,初选四翼梁结构的参数。然后在ANSYS中建立有限元模型,进行静力学和模态分析。最后,使用试验模态分析法测试设计的支撑结构。有限元分析显示,设计的结构受重力影响会引入0.004 2λ的切向彗差,第一阶模态频率约为57.2Hz。试验模态分析显示,系统第一阶谐振频率为54.1Hz,与理论分析和有限元分析结果一致。实验结果与仿真结果对比后显示:归一化的振型向量中叶片结构振幅较小时,实验模态较难提取,且实验结果略小于有限元分析结果,最大相对误差约为7%。设计的次镜支撑结构遮拦小、刚度好,满足使用要求。     

大口径望远镜次镜系统的拓扑优化设计

针对地基大口径望远镜次镜系统加工精度和装调精度的要求,提出了基于拓扑优化的次镜系统结构设计方法。该方法利用变密度的拓扑优化思想,将次镜系统的Spider结构和Serrurier桁架的设计域限定为基结构,以期望方向的变形最小,通过材料的去留决定结构的最终形状和尺寸。首先,以相对密度为设计变量,Spider结构以1阶振型和重力方向变形为设计约束,桁架以X向和Y向变形为设计约束,建立各结构的拓扑优化模型;然后,以拓扑优化所得构型为基础,利用Workbench进行优化迭代;最后,设置优化参数,采用有限元法进行动静刚度分析和优化。结果显示4 m望远镜次镜系统的1阶谐振为22.7 Hz,光轴指向天顶和水平时重力方向偏移分别为-0.173 mm和-0.195 mm,并且Spider结构和Serrurier桁架的轻量化率超过30%。该结果验证了文中方法的有效性。     

TMT三镜动力学模型辨识与标校

为了更好地对于30 m望远镜三镜(TMT M3)的动力学进行度量与检测,基于加速度信号建立了系统模态信息的计算与评价方法。首先,分析了如何利用加速度计对于TMT三镜系统进行检测。之后,利用系统对于未知载荷的响应,基于随机减量法获得了系统的自由响应;之后,根据多项式拟合的方法,对于获得的传递函数进行处理。根据之前所提出的方法,对于4 m级系统,获得了其系统前两阶模态为88 Hz以及107 Hz,并获得了对应振型。所做的工作对于TMT三镜的完成有着很好的指导作用。     

TMT 三镜系统tilt 轴轴承方案研究

30 m口径望远镜(TMT)的三镜跟踪系统(M3PA)的运动性能和指向精度指标均高于已建成的各大望远镜,且工况复杂多变,给设计人员带来了巨大的挑战。三镜跟踪系统包括Rotator 轴和Tilt轴两部分。重点研究了Tilt 轴轴承布置方案以及相应分析。提出了两种轴承方案,经过分析,使用一对双列角接触转盘轴承的方案更适合于Tilt 轴的工作需要,此时结构第一阶谐振频率可达到15.1Hz,满足Tilt 轴的设计要求。选定方案后,针对所选择的轴承,使用ANSYS 进行了仿真。仿真结果显示,所选轴承中滚动体的最大承载达到5 000 N,最大应力大约为2 300 MPa,承载曲线满足经典余弦分布,从而证明仿真数据可靠,模拟方法可信;另外四列滚动体上都有明显的承载,从而说明所选择的轴系能够很好地将载荷分散到两侧结构架上。分析结果表明,这种结构形式能够满足TMT 三镜系统对刚度要求。     

巨型科学可控反射镜的质心检测

三十米望远镜三镜巨型科学可控反射镜（GSSM）的质量分布对望远镜整体的控制精度影响十分巨大。为实现三十米望远镜整体运动控制,需要在在不倾倒系统的前提下实现质心测量。首先,针对GSSM质心检测方法进行了理论研究,结合激光跟踪仪与力传感器提出了GSSM质心检测方法。为了验证该方法的可行性,对三十米望远镜三镜的四分之一缩比模型（GSSMP）进行了质心检测实验。最后对所测得的结果进行了误差分析。在误差分析中,考虑了由激光跟踪仪所带来的误差与测量仪器所带来的误差,忽略系GSSMP弯沉所带来的误差。根据本文所提出的方法,GSSMP的质量为805.800kg,其质心位置在三镜坐标系中的坐标为（-7.169mm,12.900mm,526mm）、位置精度为0.501mm。     

三十米望远镜巨型可控科学反射镜系统误差建模与分析

为了充分分析三十米望远镜(TMT)巨型可控科学反射镜(GSSM)系统平面镜面形精度与跟踪指向精度要求,需要对其建立完善的系统误差模型。本文采取自上而下的系统误差分配方式,基于TMT望远镜系统的标准化点源敏感性(PSSn)指标,利用其良好的合成与分解特性,对技术指标进行理解与分析,最终转换为平面镜面形精度与跟踪指向精度要求;另一方面对影响系统性能的扰动因素进行了分析,对于静态误差,利用有限元分析结果,比较了重力印透与大气扰动对PSSn的影响,对动态误差而言,使用系统传递函数进行系统性能评价。最后,提出了各个关键部件的指标要求,建立了GSSM的系统误差模型,结果满足TMT望远镜系统要求,可作为开展GSSM系统研制的依据。通过分析系统静态误差和动态误差与PSSn的关系发现:当r0小于0.1m时,视宁度对PSSn的影响较大;只有在大气视宁度较好的情况下,镜面印透才可以发挥作用。随着振动幅度的增加,系统传递函数退化,其PSSn会从0.996相应地减少到0.992。通过本文研究可以得出,PSSn作为下一代望远镜性能评价与误差分配指标有着特有的优势,其独特的合成特性与频域计算方法,可以对下一代望远镜的建设做出巨大贡献。     

基于串联机械臂的稀疏孔径望远镜装调

为了更好地对稀疏孔径大口径望远镜进行装调,利用旋量理论对串联机械臂在系统装调中的应用进行了研究。首先,利用旋量理论分析了串联机械臂进行稀疏孔径望远镜装调的基本原理。其次,结合旋量理论与基本的几何关系分析了稀疏孔径望远镜装调原理,并对子孔径测量过程进行了误差分析。之后,对串联机械臂携带点光源显微镜（PSM）进行装调的可行性进行了分析与实验,证明了处于串联机械臂携带状态的点光源显微镜与位于实验室环境下像点稳定性相近。最后,分析了串联机械臂结合点光源显微镜在大口径稀疏孔径望远镜装调检测中的应用。     

TMT三镜缩比系统cradle组件结构设计与分析

三十米望远镜(TMT)三镜系统具有跟踪瞄准功能,其结构类似于地平式望远镜,其镜室托架(cradle)功能相当于望远镜中的四通组件,其结构设计对系统指标有着直接的影响。以三镜缩比系统为例,为了提高cradle组件的结构刚度质量比,根据三镜系统结构特点,提出了桁架拼接式的结构设计,利用有限元方法对其进行了静力分析和模态分析。结果表明,在重力沿x、y、z方向三种工况下,cradle组件最大变形分别为0.064mm、0.015mm、0.025mm,其一阶固有频率为74.4Hz,利用模态分析仪对cradle组件实物进行了模态检测,其结果与模态分析前四阶结果最大相对误差为10.2%,显示所设计结构满足使用需求。     

30m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.     

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。