PSSn在大口径望远镜误差评估中的应用

为了更好地对大口径望远镜进行误差分析以及分配,引入了由美国30 m望远镜（TMT）团队所提出的标准化点源敏感性（PSSn）,来进行大口径望远镜的各项误差及其之间的协调与分配。为了更好地利用PSSn进行误差分配,首先根据其定义对PSSn的基本性质进行了研究,论述了PSSn作为全频域评价指标的优越性,然后与传统的评价指标（波前均方根）进行了比较,重点分析了PSSn的合成特性以及合成误差的特点,之后利用Zernike多项式分析系统静态误差与PSSn的关系,得到了不同的Zernike系数与PSSn之间的关系。对于系统的动态载荷,利用功率谱结合光学传递函数的方法来研究系统的光学特性并对实际的大口径波前做出了仿真研究,得到系统的PSSn从0.996下降到0.991。所做的研究可以更好地理解大口径望远镜的误差特性,同时也可以帮助系统工程师对大口径望远镜的误差进行更好的分配。     

基于主动光学的大口径反射镜硬点定位技术

大口径望远镜主镜、副镜等反射镜相对于其镜室的位置和方向靠硬点来保证,它是主动光学系统的关键组成部分,对提高望远镜的成像质量和安全防护性能具有重要的作用。本文全面地概述了大口径反射镜不同类型硬点定位的结构及工作原理,并详细介绍了E-ELT、VLT、VISTA、LSST望远镜中的硬点定位技术,它们是不同类型硬点定位的典型代表。最后,总结了大口径反射镜硬点定位的发展趋势,指出六杆硬点定位最有应用前景,并深入地论述了其结构特点及关键技术,提出了一系列提高其定位精度、轴向刚度及安全可靠性的方法。     

TMT三镜系统Rotator组件轴承设

以TMT三镜系统为对象,对其中的Rotator组件用轴承进行了设计,并对轴承关键参数的选取进行了探讨。首先,通过分析三镜系统的运动模式确定了系统的受载状态;接着基于Hertz弹性变形理论,建立了双列角接触球轴承的载荷-变形公式,采用牛顿迭代法对轴向、径向、角位移量进行求解,得到每个钢球受载和变形的精确解;最后对该轴承设计中的一些关键参数选择对承载能力的影响进行了讨论。计算分析表明,在三镜工作角度范围内,光轴方向最大变形为0.022 mm,滚道面内各个方向变形小于0.042 mm,最大角变形量为3.5,满足三镜系统的设计要求,并留有较大的设计裕度。建立的载荷分布方程及提出的参数选择原则对双列角接触球轴承的设计具有通用性,可适用于各种工况。     

TMT三镜镜室组件柔性结构设计与屈曲分析

30 m望远镜三镜为长轴3.594 m,短轴2.536 m的椭圆形微晶玻璃反射镜。其支撑结构采用了多种柔性结构,以释放非支撑方向的自由度。使得轴向支承和侧向支撑能够相互解耦,并减小支撑结构与镜子材料的热胀系数不匹配带来的热应力。柔性件柔度越高,在望远镜观测条件的扰动下镜面面形越好。但过高的柔度会降低柔性件的屈曲临界载荷,导致结构发生屈曲失效。为此需要计算出望远镜观测过程中柔性结构所承受的最大压力载荷,计算相应的屈曲安全系数SFBuckling。对比了典型结构非线性屈曲分析和特征值屈曲分析的区别,不断迭代设计和分析,柔性元件的SFBuckling和柔度取得了一个较好的平衡点,热扰动下的面形也达到了设计要求。     

30 m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。     

基于近红外小功率卫星激光测距研究

为分析天琴计划激光测距台站卫星激光测距探测能力,设置单脉冲能量（平均功率）分别为0.15 mJ（0.015 W）,0.4 mJ（0.04 W）和4 mJ（0.4 W）对同步轨道卫星qzs2、compass i3和compass i5分别于夜晚和白天进行激光测距实验。理论方面,分析了白天天光背景噪声强度,并结合雷达方程计算了不同平均功率条件下卫星激光测距的有效回波率,重点分析了平均功率对卫星激光测距探测能力的影响。实验方面,固定望远镜俯仰角（E=50°）,旋转望远镜测量不同指向时的天光背景噪声强度。采用探测效率为60%（@1064 nm）的超导探测器阵列,并结合空间滤波、时间滤波和光谱滤波的方法抑制背景噪声,开展了小功率白天卫星激光测距。分析得到,白天对同步卫星激光测距的最小功率为0.04 W,夜晚对同步卫星激光测距的最小功率为0.015 W。天琴计划激光测距台站已具备白天和夜晚全时段常规卫星激光测距能力,将为今后天琴计划引力波探测卫星全时段激光测距奠定基础。