极大口径光学/红外望远镜关键技术研究 极大口径光学/红外望远镜关键技术研究

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极大口径光学/红外望远镜关键技术预研究

       极大口径光学/红外望远镜关键技术的预研究是以"大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)"的研制队伍为主,在LAMOST的技术基础上,针对30米及以上极大口径地面光学/红外望远镜研制的技术需求,开展相关领域内具有国际前沿水平的新技术研究。通过研究,掌握极大口径地面望远镜主要关键技术,并可应用于十二.五或未来10-20年以我国为主导研制极大口径地面光学/红外望远镜的研制过程,或可应用这些关键技术,参与国际极大口径地面光学/红外望远镜的合作研制。为以我国为主导研制极大口径光学/红外望远镜或我国以技术参加国际极大望远镜的合作研制做好全面的技术准备。

1.主要研究内容

1)进一步深入开展望远镜总体方案的研究

南京天光所从2000年就已经开始对我国极大口径光学/红外望远镜的方案进行预研究,提出了多个总体研究方案。这些方案在近几年中,通过国际会议平台,与国外同行进行了广泛的交流,显示出了许多独到之处,得到了国际同行的认可。考虑到极大口径地面光学/红外望远镜是一项十分庞大的系统工程,不仅涉及多个技术学科领域,同时涉及到工程管理、经费投入、研制周期等方面。我们将深入在望远镜总体参数上进行优化设计,在不影响总体性能的前提下,进一步探讨中国创新的、结构简洁且容易实现的、投资省、研制周期短的方案,并且研究提出对系统各部分和其他相关的关键技术的要求。

2)在共焦拼接的基础上发展拼接子镜的共相技术

     拼接子镜的共相校正是极大口径光学/红外望远镜实现衍射极限的高分辨成像的瓶颈,目前世界上在望远镜上仅能在红外波段实现共相校正,拼接镜面要做到可见光共相至今仍很困难(目前还没有一架望远镜做到),相关的技术有待逐渐走向成熟。LAMOST项目成功发展了可见光波段共焦拼接镜面技术,天光所此前在实验室条件下已实现了对角线为250mm的正六边形子镜在可见光波段的共相拼接。本项目将在此基础上进一步研究发展大口径共相拼接原理与方法:研究纳米级高精度镜面支撑技术;研究纳米级高精度共相检测技术;研究共相定标技术。本项研究将利用LAMOST主镜的预拼接检测装置开展共相拼接实验,实现3块对角线为1.1米的正六角形球面子镜在1-3微米波段的共相拼接。

      3)掌握批量非圆形离轴非球面子镜镜面磨制技术

      目前的30-40米大镜面都是由成百上千的子镜拼接而成。中国下一代巨型望远镜主镜(CFGT)也由1122块1米级子镜组成。这些极大口径镜面几乎都是由1-2米的子镜拼接而成,磨制过程中,需要更加高效且高精度的磨制批量离轴非球面的方法。本项目将依据巨型望远镜总体需求,着手开展以下相关工作:研究预应力抛光离轴非球面镜的机理,研究和优化预应力抛光的加载机构,使之能适应环抛机抛光;解决用环拋机对预应力镜面进行抛光过程中的关键技术问题,研究磨制过程中影响精度和效率的可能因素,探索并提出相应的克服措施;开展用环抛机抛光预应力镜面的实验研究,用一块直径500mm的镜面开展磨制试验,磨制符合试验设计目标的离轴抛物面,面形精度达到RMS≤20纳米(减去低频误差后)。

      4)研究大口径自适应可变形镜方案并开展关键技术研究

      LAMOST建成后,我国在大口径主动光学技术上已经达到国际水平,但在在大口径自适应变形镜方面还没有开始。近年来地基极大口径望远镜向着大口径迅速发展,自适应光学技术越来越受到重视,并且朝着多重自适应系统组合应用方向发展,大口径自适应变形镜的方案已经被几乎所有的大型或巨型望远镜所接受并采用。本项目将研究以下相关技术:大口径自适应变形镜总体方案研究与设计;大口径自适应变形镜磨制方案和制作工艺研究;大口径自适应变形镜支撑结构方案研究;大口径自适应变形镜驱动方案研究;大口径自适应变形镜控制技术方案研究。在此基础上,提出其中关键部件的研制方案并进行试验,提出可以应用于我国下一代极大望远镜的大口径变形镜的方案,实验磨制一块直径600m,厚度2.5mm左右的椭球面自适应镜面,面形精度达到RMS≤20纳米(减去低频误差后)。

       5)研究大惯量系统的精密跟踪控制技术

       由于极大口径望远镜的口径大,自重达数百吨之多,为了保证跟踪精度,望远镜必须具有足够的机械扭转刚度。我们将采用机电一体化设计技术,以超低速、多磁极综合式转子与单元拼装集合式定子组成结构简单而又独特的永磁同步伺服电机(多元电机),实现望远镜本体的整体同步驱动,从而实现极大口径望远镜高精度控制系统的结构参数的要求。具体开展以下几个方面的工作:进行直接驱动伺服电机系统的建模与仿真;研究直接驱动望远镜轴角测量系统,进行机电优化设计检测调试;研究多电机同步驱动技术在直接驱动技术中的应用;研究直接驱动电机在低速运行的热功耗及对策。通过上述研究,提出适用于极大型望远镜驱动的合理的结构参数,达到精密跟踪精度的技术要求。建立一个2.5米的直接驱动的实验平台,在直接驱动实验平台模拟望远镜跟踪控制。要求速度范围:5°~1″/s,位置跟踪精度:0.1-0.2″,分辨率: 0.01″,系统加速度: ≥1°/S2 (根据直接驱动实验平台可能加的"阻尼负载"定)。

2、目前已开展的工作

      1)共相拼接主动光学色散条纹传感技术研究

      大量子镜的共相主动拼接镜面技术是未来极大口径的光学/红外望远镜的关键技术之一,色散条纹传感技术是一种用于拼接主镜的共相的有效并且能够实现高度自动化的检测方法。它与目前成熟成功应用的Shack-Hartmann 波前传感器或曲率波前传感器加边缘位移传感器定标的共相拼接技术不同,仅仅通过采用透射棱栅的色散形成光谱就可以获得光程差,从而可以代替目前常规应用的需要定标较困难的子镜边缘位移传感器,因而具有广泛的应用。

      色散条纹传感器检测技术的研究,包括从理论仿真到实践测试,并在原有色散条纹技术上进一步发展,组合模板匹配和色散哈特曼方法,成功实现了对微米及微米以下量级Piston检测技术的无缝衔接;建成了一套色散条纹传感器实验装置,并开发了共焦测试、促动器控制和共相色散条纹Piston检测的软件系统;依托天光所拼接镜面实验系统,应用该装置进行了色散条纹传感器的共相测量和共相控制校正测试。校正精度达到共焦12纳米,共相(Piston)20纳米,远优于计划任务书设计要求(小于65纳米);项目申请发明专利两项,发表文章5篇;项目培养硕士研究生两人。2011年2月23日"共相拼接主动光学色散条纹传感技术研究"项目通过专家组的验收。

          共相位拼接实验系统照片

     2)主镜拼接子镜磨制方法试验

     以30米口径的拼接主镜,设定子镜口径1.1米,厚度45mm:

[a]完成预应力加载结构方案,可以实现离轴量为2-15米情况下的变形。预应力的加载方法完全不同于国外10米拼接镜面预应力磨制时的情况,满足在环抛机上应用;

[b]完成了预应力环抛实验加载装置的结构设计和加工装调;

[c]建立预应力加载机构的定标测试装置;

[d]开展了预应力加载的定标测试试验;

[e]进行了1米口径离轴非球面预应力环抛试验并获得初步结果。

所试验的预应力环抛方法结合预应力和环抛机抛光两种方法的优点,基本达到了批量快速磨制30米口径拼接主镜的离轴子镜的目标。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                               预应力加载定标装置

       3)大口径自适应镜面系统设计

      基本完成了大口径自适应镜面系统的设计,并以磨制的一块口径576.6mm,厚度3mm,中孔直径50mm的超薄球面镜为研究对象(其科学目标和工作环境类似国外类似口径的望远镜MMT)进行误差分配分析、建立镜面及其支撑结构的有限元模型、系统静力学分析、模拟自适应镜面系统的相差校正能力、模拟计算自适应镜面系统的振动模态、分析模拟自适应镜面系统的发热及温度分布等。

        

 

 

 

 

 

 

 

                     校正像散相差                                                                                           使用5环热管制冷镜面温度分布

        4)大惯量系统的精密跟踪控制技术研究

       已完成超低速、多磁极综合式转子与单元拼装集合式定子的永磁同步伺服电机(多元电机)的机电一体化设计,目前已完成Φ4m直接驱动实验平台和超低速直接驱动电机电磁的设计、研制、初步安装和调试。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                          大型天文望远镜实验平台