三十米中國未來巨型望遠鏡主桁架結構的概念設計

導讀

隨著天文學日新月異的發展，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口徑位為20 m-40 m量級的極大口徑光學紅外望遠鏡。但是由于技術的限制，實現更大口徑的望遠鏡并達到對應的光學設計要求仍然面臨著巨大的挑戰。

中國科學院國家天文臺南京天文光學技術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構的30 m中國未來巨型望遠鏡方案，并在此基礎上進行大量的有限元建模、優化和仿真分析，為我國未來巨型望遠鏡的研制提供了技術參考。

1.極大望遠鏡主桁架結構介紹

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）”而進行設計的。然而，各極大望遠鏡解決方案的區別主要體現在高度結構的設計上，如圖1所示。

圖1.極大望遠鏡三維設計圖

TMT最初的主鏡桁架變形量大約為10 mm，在桁架結構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。

E-ELT主鏡桁架支撐采用的鋼架橋結構模式，它是由受彎的上部梁結構與承壓的下部立柱整體結合在一起的結構。E-ELT主桁架支撐結構最大位移為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。其高度結構采用的是輕量化焊接組件支撐方式，這種設計無需考慮頂層節點的對應問題。

新提出的設計方案

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

圖2.30米中國未來巨型望遠鏡主體桁架結構概念設計

該高度結構是一種輕量化的等格柵焊接結構，等格柵網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，并使用三角形結構，整體結構力流的傳遞采用拱形鋼架橋模式，這種設計可以使支撐結構達到輕質且各向同性的效果。

這種等柵格結構的制造和裝配比傳統的M1支撐結構空間桁架的解決方案更簡單。該結構還可以減輕主鏡結構和副鏡結構關于高度軸系不平衡帶來的配重設計難題。等格柵結構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從下方到鏡子的維護，這在空間桁架的情況下是很難實現的。

2.分析與討論

模態分析

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

當指向天頂和水平方向時，望遠鏡結構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值

表2.中國未來巨型望遠鏡指向水平時的模態值

望遠鏡第一模出現在M1桁架中心，表現為扭曲變形。經過仔細分析以及研究發現，為了避免高度軸系側向液壓支撐出現過約束現象，采用圖3所示的液壓油路設計，該設計將在后續文章中展開。

圖3.最新高度軸液壓whiffletree控制系統

表3展示了該設計與GMT、TMT以及E-ELT主模態頻率的對比，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構具有高剛度-重量比的優勢。

表3.中國未來巨型望遠鏡與其他極大望遠鏡主模態頻率對比

結構變形

望遠鏡的主桁架結構變形主要是由重力、溫度以及穩態風載荷引起的，下面展開了對這三種原因的分析。

分析結果表明，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，并不影響光學變形， M1如圖4所示。并且其主鏡M1主桁架支撐結構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變形。（a）指向天頂；（b）指向水平

在環境參考溫度為22°C的條件下，從望遠鏡方位軸結構底部開始施加0.12°C/m的線性函數溫度載荷，望遠鏡整體結構最大變形不超過1.2 mm。

在10 m/s（在順風方向與正交方向的等效靜態作用力大約分別為10 kN和25 kN）靜態風載荷作用下的最大變形為0.13 mm，對結構的影響較小。

圖5.望遠鏡在溫度（a）和穩態風載荷（b）作用下的靜態變形

3.結論

該文章針對30米中國未來巨型望遠鏡的主體桁架設計，提出了一種新穎的鈑金組件結構方案。經過有限元分析，初步設計滿足了望遠鏡相關使用要求，最低諧振頻率大于2 Hz，主鏡支撐結構相對變形小于1.9 mm，該方案提供了非常好的剛度-質量比以及堅固的結構支撐。下一階段的望遠鏡結構設計工作將強調光學組件（如拼接主鏡、副鏡支撐等）的詳細設計、局部結構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構的概念設計[J]. 光電工程，2022，49(6): 210402.DOI: 10.12086/oee.2022.210402

源自于：光行天下