周國華，王 海，楊德華

(中國科學院國家天文臺南京天文光學技術(shù)研究所，江蘇 南京 210042；中國科學院天文光學技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210042)

天文望遠鏡的鏡面是望遠鏡核心關(guān)鍵部件，一般均設(shè)置有鏡罩或鏡蓋進行安全保護。對于主鏡尺寸較小的傳統(tǒng)望遠鏡，鏡罩實現(xiàn)方式有多種，如我國興隆2.16m望遠鏡采用了轉(zhuǎn)動雙開門形式的兩個半圓形薄板構(gòu)成簡易實用的鏡蓋[1]；盱眙1.2m近地天體探測望遠鏡采用了花瓣展開式多片薄板構(gòu)成鏡蓋[2]，英國4.2m WHT望遠鏡也采用了類似的鏡蓋方案[3]；德國正在研制的2.5m太陽望遠鏡采用了簡易的布簾鏡罩[4]。具有更大口徑主鏡的望遠鏡一般很難采用上述形式的鏡罩方案，而是多采用將望遠鏡轉(zhuǎn)至水平安全指向避免意外損害。事實上，目前國際上的大口徑天文望遠鏡一般不再設(shè)置鏡罩。

大天區(qū)面積多目標光纖光譜望遠鏡(LAMOST)的反射施密特改正鏡(圖1)由24塊正六邊形子鏡拼接而成，呈長六邊形形狀，南北長5.72m，東西長4.40m[5]；其高度角跟蹤范圍為32.3°～90°，并要求高度回轉(zhuǎn)范圍為0°～90°。在不進行天文觀測時鏡面是水平朝上放置的，而觀測時是圓頂往兩側(cè)拉開，采用開放式觀測，風的影響顯著。雖然有圓頂保護，但對灰塵和異物的防護，僅靠圓頂是不夠的，需要考慮設(shè)置鏡罩來加強對鏡面的保護。反射施密特改正鏡尺寸較大，外形又非圓形，一般常規(guī)的鏡蓋方案會帶來機構(gòu)復雜、迎風面積大、對回避擋光及空間結(jié)構(gòu)干涉等問題也存在很大困難[6]。

針對LAMOST反射施密特改正鏡的特殊情況和要求，進行了多種鏡罩方案的研究和設(shè)計，并進行了樣機設(shè)計和實驗，經(jīng)測試比較，最終選定新型輕質(zhì)簾式鏡罩方案。該鏡罩滿足技術(shù)和實用要求，已投入正常使用。本文對以上工作進行系統(tǒng)回顧，特別對此新型輕質(zhì)簾式鏡罩方案的研究和設(shè)計進行詳細介紹。

1 LAMOST反射施密特改正鏡鏡罩功能要求

天文望遠鏡鏡罩基本功能要求是可阻擋異物保護鏡面，且望遠鏡工作時不擋光，不影響觀測。LAMOST反射施密特改正鏡的結(jié)構(gòu)如圖1，其特殊結(jié)構(gòu)形式給鏡罩設(shè)計提出了特殊功能要求[7]：(1)鏡罩關(guān)閉后可防灰、擋冰雪、擋跌落的異物；(2)鏡罩本身不允許對鏡面安全產(chǎn)生威脅，不允許引起灰塵或異物跌落；(3)鏡罩開啟后不擋入射光線；(4)在要求的高度轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)必須避免空間結(jié)構(gòu)干涉；(5)所有運動均采用自動控制；(6)安全可靠，外形美觀等要求。

2 鏡罩方案遴選

通過研究反射施密特改正鏡的鏡面尺寸、外形、鏡面支撐桁架以及其它部件的空間結(jié)構(gòu)特點，為避免運動結(jié)構(gòu)部件的干涉，不影響正常跟蹤觀測，先后研究和試制了以下幾種鏡罩方案：

(1)半球式鏡罩方案

利用鏡面支撐桁架兩側(cè)耳軸箱體作基礎(chǔ)，安裝鏡罩驅(qū)動機構(gòu)。鏡罩整體關(guān)閉時呈半球狀，由對稱的兩半罩體組成，可分別向兩邊關(guān)閉。罩體由骨桿和蒙布構(gòu)成，骨桿沿經(jīng)向分布，蒙布罩于骨桿上，從而通過驅(qū)動骨桿的旋轉(zhuǎn)來開啟或關(guān)閉鏡罩。另外，還需在鏡面的長度方向兩端設(shè)置鏡罩支撐機構(gòu)。此方案外觀協(xié)調(diào)，但由于鏡罩為圓形的，高度較高，其中間接縫不易保證密實可靠。圖2為制作的1∶5的半球式鏡罩模型。

圖1 LAMOST反射施密特改正鏡CAD模型Fig.1 A CAD-generated illustration of the Schmidt plate of the LAMOST

圖2 半球式方案的1∶5模型鏡罩Fig.2 A mode of Hemisphereical cover of the Schmidt plate at a scale of 1∶5

(2)推拉翻轉(zhuǎn)式方案

如圖3，在鏡面兩側(cè)各設(shè)置3片平板,逐漸推拉展開即形成鏡罩；打開工作時則逐漸收縮，然后翻轉(zhuǎn)立于耳軸箱體旁。為對該平板實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的支撐，又在長度方向設(shè)置了4塊能翻動的支撐板。圖4為試制的可推拉的3層平板框架。此方案結(jié)構(gòu)復雜，運動控制也復雜，質(zhì)量較重。

圖3 推拉翻轉(zhuǎn)式鏡罩的方案圖Fig.3 Design of push-pull-and-rotary cover of the Schmidt plate

圖4 可推拉伸縮的3層平板框架Fig.4 Three-layer sliding frame for the cover

(3)輕質(zhì)簾式方案

在前兩種鏡罩方案設(shè)計和實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合二者的優(yōu)點，并力求使鏡罩機構(gòu)在鏡面上方?jīng)]有太重的構(gòu)件，提出了一種輕質(zhì)簾式的新型鏡罩設(shè)計方案。如果5，在鏡面兩側(cè)從支撐桁架上飛架兩根平行的彎曲C形開口軌道，由多根繩線來支撐和控制布質(zhì)罩體的開啟和關(guān)閉；開啟后布質(zhì)罩體擠縮在一端延長的導軌上；為避免結(jié)構(gòu)干涉，在導軌的另一端設(shè)置了可轉(zhuǎn)動彎折的推拉機構(gòu)。

圖5 輕質(zhì)簾式鏡罩結(jié)構(gòu)圖(左：側(cè)視圖，右：俯視圖)Fig.5 Lightweighted curtain-style cover of the Schmidt plate(Left:side view；Right:Top view)

(4)方案比較和確定

表1 3種鏡罩方案的優(yōu)缺點比較Table 1 Comparison of the three types of covers

3 輕質(zhì)簾式鏡罩設(shè)計

根據(jù)以上方案設(shè)計和比較，選用輕質(zhì)簾式方案作為LAMOST反射施密特改正鏡鏡罩的設(shè)計方案。下面對其設(shè)計進行詳述。

根據(jù)LAMOST反射施密特改正鏡的運動和結(jié)構(gòu)特點，在鏡面支撐桁架兩側(cè)耳軸之上飛架兩根平行的彎曲C形開口方管，作為滑塊軌道；軌道最大限度地貼近鏡面，以便不擋觀測入射光；軌道側(cè)視外形與桁架的半球形外形相呼應，兩端稍稍向下彎曲。見圖5，軌道內(nèi)各有25塊滑塊，同一根軌道內(nèi)的25塊滑塊沿軌道方向用鋼絲繩相聯(lián)成串，而僅右側(cè)第一個滑塊與鋼絲繩固定，其余滑塊均可在此鋼絲繩上滑動；相鄰兩滑塊之間由一根300mm長的柔性線相連，以保證鏡罩展開時滑塊之間的間距均為300mm，如圖6，兩根軌道內(nèi)的對應滑塊則有彈性柔性線相互連接，從而構(gòu)成被拉平的橫跨鏡面上方25根鏡罩布的支撐繩線。

軌道末端各聯(lián)接一只步進電機驅(qū)動箱，共4只。軌道跟隨桁架一起跟蹤轉(zhuǎn)動，鏡罩開啟時，將由電機拖動滑塊使鏡罩布擠縮在左端(圖5)，不會遮擋入射光；被擠縮在一起的鏡罩布的頂面(積灰面)和內(nèi)面始終不會交叉接觸，從而防止頂面上的積灰或異物掉落到鏡面上。步進電機及繞線機構(gòu)如圖7，步進電機通過減速齒輪帶動繞線輪旋轉(zhuǎn)，圓柱形繞線輪上帶有螺紋槽，并在繞線輪直徑方向設(shè)置了兩只押線輪[8]，從而確保鋼絲繩有序地卷繞在繞線輪上。

另外，如圖1和圖5，為避免軌道與叉臂支撐的干涉，軌道右端設(shè)置了推拉機構(gòu)，使軌道末段部分可向內(nèi)折疊收縮。

圖6 軌道、滑塊和繩線之間的連接關(guān)系Fig.6 Connections between the tracks, sliders，and strings

圖7 步進電機驅(qū)動箱機構(gòu)Fig.7 Mechanisms of the stepping motorand drive box

3.1 工作過程

見圖5，當軌道左側(cè)兩只步進電機同步卷收鋼絲繩時，在軌道右端，固定在鋼絲繩末端的第一個滑塊將推動其余滑塊在軌道內(nèi)集體往左滑動，這樣，鏡罩被打開；反之，當軌道右側(cè)的兩只步進電機同步卷收鋼絲繩時，隨著右端的第一滑塊在軌道內(nèi)的往左滑動，其余滑塊逐漸被拉出，等間距地(300mm)排列在軌道上，這樣，鏡罩被合上。需要說明的是，4只步進電機同步工作，即當左側(cè)兩只步進電機收線時，右側(cè)兩只放線，反之亦然；繞線量和放線量保持相同。

3.2 軌道推拉折疊機構(gòu)設(shè)計

LAMOST反射施密特改正鏡高度角跟蹤范圍為32.3°～90°，但也要求鏡面可轉(zhuǎn)至豎直位置。由上所述，輕質(zhì)簾式鏡罩呈矩形，因此，根據(jù)機架叉臂的結(jié)構(gòu)狀況，軌道右側(cè)末段必須能折疊收縮，避免與叉臂支撐發(fā)生干涉，才能允許鏡面轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)。為此，兩根軌道右側(cè)各設(shè)置了一套電動推拉機構(gòu)，使軌道右側(cè)末段可向內(nèi)折疊。采用了商品化的電動開窗器作為推拉機構(gòu)，圖8為軌道被推至正常伸直狀態(tài)。

圖8 軌道推拉折疊機構(gòu)Fig.8 Folding mechanism for the rail

圖9 鏡罩全貌Fig.9 Overview of the cover of the Schmidt plate

3.3 鏡罩布的選用和設(shè)計

鏡罩布應選擇紋理致密不易透灰塵的高強度輕質(zhì)布料，經(jīng)調(diào)研比較，降落傘布正好具有這些特性，滿足作為鏡罩布的要求。

整個鏡罩共由3塊布簾組成，頂面為一整塊，鏡面兩側(cè)各懸掛一塊長條狀簾布；頂面與側(cè)面簾布之間采用尼龍搭扣相聯(lián)，構(gòu)成“門”字形輕型罩體將鏡面罩住。采用搭扣方式連接，便于裝拆，如清洗時拆裝。圖9為安裝在現(xiàn)場的鏡罩全貌，圖10為鏡罩正在開啟的狀態(tài)。

3.4 鏡罩的電控設(shè)計

圖10 鏡罩正在開啟中的狀態(tài)Fig.10 The cover being opened

鏡罩開合動作由4只電機同時工作，每根軌道兩端各安裝一只電機，工作中一收一放，需要進行同步控制。系統(tǒng)工作的特點是：同步精度要求高，速度和定位要求一般。采用步進電機驅(qū)動，采用編碼器作為檢測元件檢測滑塊鋼絲繩的牽引距離，并用接近開關(guān)檢測滑塊是否到位。軌道推拉折疊機構(gòu)則只有定位要求，控制簡單。采用兩只商品化的開窗器作為執(zhí)行器件，由力矩電機驅(qū)動，采用繼電器控制電機通斷電，行程開關(guān)來控制行程。

圖11 鏡罩電控系統(tǒng)框圖Fig.11 Block diagram of the electronic control system of the cover of the Schmidt plate

從整架望遠鏡系統(tǒng)總體考慮，鏡罩是望遠鏡的一部分，鏡罩能否正常開合還應與望遠鏡觀測過程特別是高度角結(jié)合考慮，因此鏡罩控制應和望遠鏡機架控制結(jié)合起來，為此，采用了同一計算機和控制器，在望遠鏡機架控制系統(tǒng)軟件上增加了相應控制模塊，這樣有利于簡化系統(tǒng)，增加可靠性，降低成本?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖11。

4 現(xiàn)場安裝調(diào)試

LAMOST反射施密特改正鏡罩是在鏡面全部安裝完成后安排設(shè)計的，因此設(shè)計中必須充分考慮鏡罩零部件的長途運輸和鏡罩在現(xiàn)場的安裝及調(diào)試的便利性。由于鏡罩體積大，結(jié)構(gòu)設(shè)計得輕巧單薄，而安裝和保護對象卻是精密易損的望遠鏡鏡面，因此，設(shè)計中力圖考慮全面周到，采用簡單可靠的安裝工藝，以利于現(xiàn)場安裝和調(diào)試工作的順利完成。因為無法在加工地點進行全面安裝調(diào)試，這對傳動和控制系統(tǒng)的設(shè)計要求更為嚴格，因此，采用“細致設(shè)計、配備備件”的策略，盡量減少現(xiàn)場裝調(diào)中出現(xiàn)未預料到的問題。盡管如此，鏡罩初裝時，電機動力尚顯不足，牽引滑塊的繩線彈性偏大，試運行一周中偶有故障發(fā)生，經(jīng)換為彈性模量更大的鋼絲繩，細化改進了電機的同步控制程序等措施后，排除了所有故障，并最后將鏡罩的控制系統(tǒng)集成到望遠鏡整體觀測控制系統(tǒng)中。鏡罩現(xiàn)場實物如圖8～10所示，經(jīng)半年來的運行考驗,本鏡罩的設(shè)計取得了滿意的效果。

5 結(jié) 論

本文針對LAMOST反射施密特改正鏡的特殊情況和要求，通過對多種鏡罩方案的研究設(shè)計和樣機比較，選定了新型輕質(zhì)簾式鏡罩方案。此鏡罩已在LAMOST望遠鏡現(xiàn)場成功運行半年，安全可靠性得到了確認。該新型輕質(zhì)簾式鏡罩方案克服了在大跨度的LAMOST反射施密特改正鏡上設(shè)置鏡罩的困難，滿足了鏡罩設(shè)計技術(shù)要求，且具有外形美觀實用，機械結(jié)構(gòu)簡單及運行安全可靠等特點。由于該鏡罩外形為長方形，而鏡面為長六邊形，二者外形不盡吻合，從而存在不能遮擋由四角飄入的灰塵的缺點。幸運的是，鏡面朝天放置時，由底面四角飄進的灰塵量相對較少?？傊@種由布與繩結(jié)合的新型輕質(zhì)鏡罩方案為未來更大尺寸天文望遠鏡的鏡罩設(shè)計提供了成功的借鑒思路和實踐經(jīng)驗。

[1] 蘇定強. 2.16米天文望遠鏡工程文集[C]. 中國科學技術(shù)出版社, 2001.

SU D Q.2.16 meters telescope project Collection[C].Science and Technology of China Press, 2001.

[2] 日月.險象環(huán)生的“擦邊球”[J].太空探索，2007,(6):56-59.

RI Y. Risky a “edge ball”[J].Space Exploration, 2007,(6):56-59.

[3] http://www.ing.iac.es/PR/wht_info/.

[4] Emde P, Süв M, Eisentr?ger P, et al. Design of the solar telescope gregor under dynamic wind loads[C], Proc of SPIE, 2003, 5179:282-291.

[5] 蘇洪鈞，崔向群.LAMOST項目及其進展[C]//崔向群主編.2002中國天文望遠鏡及儀器學術(shù)討論會論文集.北京，中國科學技術(shù)出版社,2002:46-53.

SU H J,CUI X Q. LAMOST project and its progress[C]//CUI X Q ed.2002 China Symposium on Astronomical Telescope and Instrument Papers.Beijing,Science and Technology of China Press, 2002:46-53.

[6] 姚正秋，周放.近代天文圓頂發(fā)展慨況[J].天文學進展,2003,21(3):206-218.

YAO Z Q,ZHOU F. The development of modern astronomy dome profiles[J]. Progress in Astronomy, 2003,21(3):206-218.

[7] 程景全.天文望遠鏡原理和設(shè)計[M].北京：中國科學技術(shù)出版社，2003.

[8] 徐灝.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社出版，1995.