三十米中国未来巨型望远镜主桁架结构的概念设计
导读
随着天文学日新月异的发展，人们对天文望远镜性能的需求也越来越严格。为满足人们对宇宙空间更好的探索，目前国际上正积极地建设口径位为20 m-40 m量级的极大口径光学红外望远镜。但是由于技术的限制，实现更大口径的望远镜并达到对应的光学设计要求仍然面临着巨大的挑战。
中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所胡守伟提出了一种提出了一种新的轻量化钣金焊接结构的30 m中国未来巨型望远镜方案，并在此基础上进行大量的有限元建模、优化和仿真分析，为我国未来巨型望远镜的研制提供了技术参考。
1.极大望远镜主桁架结构介绍
典型案例
目前，所有极大望远镜如30米望远镜（TMT）、欧洲极大望远镜（E-ELT）、巨型麦哲伦望远镜（GMT）等的解决方案都是基于“摇椅概念（rocking chair concept）”而进行设计的。然而，各极大望远镜解决方案的区别主要体现在高度结构的设计上，如图1所示。
图1.极大望远镜三维设计图
TMT最初的主镜桁架变形量大约为10 mm，在桁架结构的外围底部增加了一层支撑杆件之后，其主镜桁架支撑变形量可以控制在5 mm以内。
GMT的主镜是由多块镜面组合的，而不是常见的拼接镜面。其高度结构采用的是轻量化焊接组件支撑方式，这种设计无需考虑顶层节点的对应问题。
新提出的设计方案
极大望远镜的不同实现方式，最主要的区别在于高度结构的设计上。该文章提出了一种新的高度焊接结构支撑方式，这种设计将非常利于拼接镜面子镜室和摇椅架结构的接口连接，如图2所示。
图2.30米中国未来巨型望远镜主体桁架结构概念设计
该高度结构是一种轻量化的等格栅焊接结构，等格栅网格由一系列钣金组件组成，通过沿不同方向延伸的一系列肋条彼此焊接，并使用三角形结构，整体结构力流的传递采用拱形钢架桥模式，这种设计可以使支撑结构达到轻质且各向同性的效果。
这种等栅格结构的制造和装配比传统的M1支撑结构空间桁架的解决方案更简单。该结构还可以减轻主镜结构和副镜结构关于高度轴系不平衡带来的配重设计难题。等格栅结构允许在镜子下方有更多的开放空间，以便以简单的方式实现从下方到镜子的维护，这在空间桁架的情况下是很难实现的。
2.分析与讨论
模态分析
为了评估该30 m CFGT望远镜方案结构的性能，使用ANSYS进行建模，采用质量单元对非对称结构仪器和反射镜进行建模，主镜M1每块子镜单元质量为270 kg，副镜单元质量为2 t，三镜质量为1.2 t。
当指向天顶和水平方向时，望远镜结构的主要特征频率如表1和表2所示。
表1.中国未来巨型望远镜指向天顶时的模态值
表2.中国未来巨型望远镜指向水平时的模态值
望远镜第一模出现在M1桁架中心，表现为扭曲变形。经过仔细分析以及研究发现，为了避免高度轴系侧向液压支撑出现过约束现象，采用图3所示的液压油路设计，该设计将在后续文章中展开。
图3.最新高度轴液压whiffletree控制系统
表3展示了该设计与GMT、TMT以及E-ELT主模态频率的对比，其第一频率略好于TMT的2.0 Hz，这主要是因为等格栅焊接结构具有高刚度-重量比的优势。
表3.中国未来巨型望远镜与其他极大望远镜主模态频率对比
结构变形
分析结果表明，望远镜在重力载荷作用下，指向天顶和水平方向时最大变形值分别为3.8 mm和2.9 mm，其中大部分为刚体位移，并不影响光学变形， M1如图4所示。并且其主镜M1主桁架支撑结构在指向天顶时的总变形为4.65 mm，去除刚体位移后的相对位移不超过1.9 mm。
图4.在重力载荷方向作用下的静态变形。（a）指向天顶；（b）指向水平
在环境参考温度为22°C的条件下，从望远镜方位轴结构底部开始施加0.12°C/m的线性函数温度载荷，望远镜整体结构最大变形不超过1.2 mm。
在10 m/s（在顺风方向与正交方向的等效静态作用力大约分别为10 kN和25 kN）静态风载荷作用下的最大变形为0.13 mm，对结构的影响较小。
图5.望远镜在温度（a）和稳态风载荷（b）作用下的静态变形
3.结论
该文章针对30米中国未来巨型望远镜的主体桁架设计，提出了一种新颖的钣金组件结构方案。经过有限元分析，初步设计满足了望远镜相关使用要求，最低谐振频率大于2 Hz，主镜支撑结构相对变形小于1.9 mm，该方案提供了非常好的刚度-质量比以及坚固的结构支撑。下一阶段的望远镜结构设计工作将强调光学组件（如拼接主镜、副镜支撑等）的详细设计、局部结构的刚性增加和动力特性分析。
论文原文：胡守伟，张勇，王跃飞，等. 三十米中国未来巨型望远镜主桁架结构的概念设计[J]. 光电工程，2022，49(6): 210402.DOI: 10.12086/oee.2022.210402
论文链接：https://cn.oejournal.org/article/doi/10.12086/oee.2022.210402
《光电工程》投稿，报道供稿：韩玉
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