极轴式望远镜主镜支撑设计

　　0 引言

　　主镜作为望远镜主光学系统中的关键元件，其面形精度直接决定了望远镜的成像质量[1]。为保持主镜的面形精度，使其免受自重的影响或将影响降低到可接受的限度，设计一套合理的主镜支撑结构是至关重要的。由于极轴式望远镜运动方式复杂，主镜的面形精度受极轴和赤纬轴复合运动的影响，这就要求主镜的支撑结构必须满足在各种不同姿态、温度、跟踪速度、跟踪加速度的条件下，有效保证光学元件面形精度、主镜和主镜室相互位置关系。

　　文中以Φ700 mm 的极轴式主镜为研究对象， 对其轴向和径向支撑进行详细设计，采用有限元法对主镜水平和竖直放置的极限工况进行分析，计算其镜面变形误差。

　　1 极轴式望远镜

　　极轴式也叫赤道式，为补偿地球的自转，其一根传动轴与地球的自转轴平行， 叫做赤经轴或极轴;另一根与极轴相互垂直，称为赤纬轴。极轴的转动是目标经度的变化;赤纬轴的转动是目标纬度的变化。绕极轴和赤纬轴旋转可以使望远镜指向不同的时角和赤纬的天区，极轴做与地球自转速度一致的恒速来跟踪天体，在其视场上星体位置没有相对转动、在观测条件最好的天顶位置没有跟踪盲区[2]。由于其独特的观测优势，广泛应用于天文领域。

　　2 主镜参数

　　该主镜材料为微晶玻璃，外径为Φ700mm，中心孔直径为Φ196 mm， 边缘厚为105 mm， 镜面曲率半径为1 977.5 mm，经计算主镜的质量为71.6 kg，见表1。

　　3 主镜支撑方案

　　主镜支撑结构主要包括：轴向支撑、径向支撑及中心定位组件，此外，还有前压紧和防转结构。文中主要对轴向和径向支撑进行研究。

　　3.1 轴向支撑

　　主镜轴向支撑结构设计是基于三点定一平面的原理。主要形式有两种：无定向支撑及镜体浮动支撑。无定向支撑主要采用无定向三角板支撑系统，通常被称作Whiffle-tree 结构; 浮动支撑主要采用杠杆平衡重系统、气压支撑系统和液压支撑系统。该主镜轴向支撑采用的是Whiffle-tree 结构[2-5]。

　　3.1.1 支撑点数的确定

　　主镜轴向支撑最少支撑点数的判定准则[3]为：

　　式中：D 为主镜直径;E 为材料弹性模量;δ 为允许的镜面变形误差RMS 值;ρ 为材料密度;t 为镜子厚度。根据主镜参数，理论计算出其轴向支撑点数最少为4。根据Whiffle-tree 结构的特点，轴向支撑点一般按936 、18612 、27918 等方式来布局， 故该主镜轴向支撑采用如图1 所示的936 支撑布局方式。

　　3.1.2 支撑半径的确定