LAMOST反射施密特改正鏡新型鏡罩設(shè)計(jì)

周?chē)?guó)華，王 海，楊德華

(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，江蘇 南京 210042；中國(guó)科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042)

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

大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)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(zhǎng)六邊形形狀，南北長(zhǎng)5.72m，東西長(zhǎng)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(jìn)行天文觀測(cè)時(shí)鏡面是水平朝上放置的，而觀測(cè)時(shí)是圓頂往兩側(cè)拉開(kāi)，采用開(kāi)放式觀測(cè)，風(fēng)的影響顯著。雖然有圓頂保護(hù)，但對(duì)灰塵和異物的防護(hù)，僅靠圓頂是不夠的，需要考慮設(shè)置鏡罩來(lái)加強(qiáng)對(duì)鏡面的保護(hù)。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(huì)帶來(lái)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、迎風(fēng)面積大、對(duì)回避擋光及空間結(jié)構(gòu)干涉等問(wèn)題也存在很大困難[6]。

針對(duì)LAMOST反射施密特改正鏡的特殊情況和要求，進(jìn)行了多種鏡罩方案的研究和設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了樣機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，經(jīng)測(cè)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(shí)用要求，已投入正常使用。本文對(duì)以上工作進(jìn)行系統(tǒng)回顧，特別對(duì)此新型輕質(zhì)簾式鏡罩方案的研究和設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 LAMOST反射施密特改正鏡鏡罩功能要求

天文望遠(yuǎn)鏡鏡罩基本功能要求是可阻擋異物保護(hù)鏡面，且望遠(yuǎn)鏡工作時(shí)不擋光，不影響觀測(cè)。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(jì)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(duì)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(kāi)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(yùn)動(dòng)均采用自動(dòng)控制；(6)安全可靠，外形美觀等要求。

2 鏡罩方案遴選

通過(guò)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(diǎn)，為避免運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)部件的干涉，不影響正常跟蹤觀測(cè)，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(dòng)機(jī)構(gòu)。鏡罩整體關(guān)閉時(shí)呈半球狀，由對(duì)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(guò)驅(qū)動(dòng)骨桿的旋轉(zhuǎn)來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉鏡罩。另外，還需在鏡面的長(zhǎng)度方向兩端設(shè)置鏡罩支撐機(jī)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(shí)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(kāi)即形成鏡罩；打開(kāi)工作時(shí)則逐漸收縮，然后翻轉(zhuǎn)立于耳軸箱體旁。為對(duì)該平板實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的支撐，又在長(zhǎng)度方向設(shè)置了4塊能翻動(dòng)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(fù)雜，運(yùn)動(dòng)控制也復(fù)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(jì)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，并力求使鏡罩機(jī)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(jì)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(kāi)口軌道，由多根繩線來(lái)支撐和控制布質(zhì)罩體的開(kāi)啟和關(guān)閉；開(kāi)啟后布質(zhì)罩體擠縮在一端延長(zhǎng)的導(dǎo)軌上；為避免結(jié)構(gòu)干涉，在導(dǎo)軌的另一端設(shè)置了可轉(zhuǎn)動(dòng)彎折的推拉機(jī)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(diǎn)比較Table 1 Comparison of the three types of covers

3 輕質(zhì)簾式鏡罩設(shè)計(jì)

根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)和比較，選用輕質(zhì)簾式方案作為L(zhǎng)AMOST反射施密特改正鏡鏡罩的設(shè)計(jì)方案。下面對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行詳述。

根據(jù)LAMOST反射施密特改正鏡的運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(kāi)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(cè)入射光；軌道側(cè)視外形與桁架的半球形外形相呼應(yīng)，兩端稍稍向下彎曲。見(jiàn)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(gè)滑塊與鋼絲繩固定，其余滑塊均可在此鋼絲繩上滑動(dòng)；相鄰兩滑塊之間由一根300mm長(zhǎng)的柔性線相連，以保證鏡罩展開(kāi)時(shí)滑塊之間的間距均為300mm，如圖6，兩根軌道內(nèi)的對(duì)應(yīng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)箱，共4只。軌道跟隨桁架一起跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng)，鏡罩開(kāi)啟時(shí)，將由電機(jī)拖動(dòng)滑塊使鏡罩布擠縮在左端(圖5)，不會(huì)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(huì)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(jìn)電機(jī)及繞線機(jī)構(gòu)如圖7，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速齒輪帶動(dòng)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(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)箱機(jī)構(gòu)Fig.7 Mechanisms of the stepping motorand drive box

3.1 工作過(guò)程

見(jiàn)圖5，當(dāng)軌道左側(cè)兩只步進(jìn)電機(jī)同步卷收鋼絲繩時(shí)，在軌道右端，固定在鋼絲繩末端的第一個(gè)滑塊將推動(dòng)其余滑塊在軌道內(nèi)集體往左滑動(dòng)，這樣，鏡罩被打開(kāi)；反之，當(dāng)軌道右側(cè)的兩只步進(jìn)電機(jī)同步卷收鋼絲繩時(shí)，隨著右端的第一滑塊在軌道內(nèi)的往左滑動(dòng)，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(shuō)明的是，4只步進(jìn)電機(jī)同步工作，即當(dāng)左側(cè)兩只步進(jìn)電機(jī)收線時(shí)，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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)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(dòng)推拉機(jī)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(dòng)開(kāi)窗器作為推拉機(jī)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(jī)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(jì)

鏡罩布應(yīng)選擇紋理致密不易透灰塵的高強(qiáng)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(gè)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(zhǎng)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(mén)”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(shí)拆裝。圖9為安裝在現(xiàn)場(chǎng)的鏡罩全貌，圖10為鏡罩正在開(kāi)啟的狀態(tài)。

3.4 鏡罩的電控設(shè)計(jì)

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

鏡罩開(kāi)合動(dòng)作由4只電機(jī)同時(shí)工作，每根軌道兩端各安裝一只電機(jī)，工作中一收一放，需要進(jìn)行同步控制。系統(tǒng)工作的特點(diǎn)是：同步精度要求高，速度和定位要求一般。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用編碼器作為檢測(cè)元件檢測(cè)滑塊鋼絲繩的牽引距離，并用接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)滑塊是否到位。軌道推拉折疊機(jī)構(gòu)則只有定位要求，控制簡(jiǎn)單。采用兩只商品化的開(kāi)窗器作為執(zhí)行器件，由力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用繼電器控制電機(jī)通斷電，行程開(kāi)關(guān)來(lái)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(yuǎn)鏡系統(tǒng)總體考慮，鏡罩是望遠(yuǎn)鏡的一部分，鏡罩能否正常開(kāi)合還應(yīng)與望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)過(guò)程特別是高度角結(jié)合考慮，因此鏡罩控制應(yīng)和望遠(yuǎn)鏡機(jī)架控制結(jié)合起來(lái)，為此，采用了同一計(jì)算機(jī)和控制器，在望遠(yuǎn)鏡機(jī)架控制系統(tǒng)軟件上增加了相應(yīng)控制模塊，這樣有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)，增加可靠性，降低成本。控制系統(tǒng)框圖如圖11。

4 現(xiàn)場(chǎng)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(jì)的，因此設(shè)計(jì)中必須充分考慮鏡罩零部件的長(zhǎng)途運(yùn)輸和鏡罩在現(xiàn)場(chǎng)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(jì)得輕巧單薄，而安裝和保護(hù)對(duì)象卻是精密易損的望遠(yuǎn)鏡鏡面，因此，設(shè)計(jì)中力圖考慮全面周到，采用簡(jiǎn)單可靠的安裝工藝，以利于現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試工作的順利完成。因?yàn)闊o(wú)法在加工地點(diǎn)進(jìn)行全面安裝調(diào)試，這對(duì)傳動(dòng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求更為嚴(yán)格，因此，采用“細(xì)致設(shè)計(jì)、配備備件”的策略，盡量減少現(xiàn)場(chǎng)裝調(diào)中出現(xiàn)未預(yù)料到的問(wèn)題。盡管如此，鏡罩初裝時(shí)，電機(jī)動(dòng)力尚顯不足，牽引滑塊的繩線彈性偏大，試運(yùn)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(xì)化改進(jìn)了電機(jī)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(yuǎn)鏡整體觀測(cè)控制系統(tǒng)中。鏡罩現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物如圖8～10所示，經(jīng)半年來(lái)的運(yùn)行考驗(yàn),本鏡罩的設(shè)計(jì)取得了滿意的效果。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)LAMOST反射施密特改正鏡的特殊情況和要求，通過(guò)對(duì)多種鏡罩方案的研究設(shè)計(jì)和樣機(jī)比較，選定了新型輕質(zhì)簾式鏡罩方案。此鏡罩已在LAMOST望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)場(chǎng)成功運(yùn)行半年，安全可靠性得到了確認(rèn)。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(jì)技術(shù)要求，且具有外形美觀實(shí)用，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)。由于該鏡罩外形為長(zhǎng)方形，而鏡面為長(zhǎng)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(diǎn)。幸運(yùn)的是，鏡面朝天放置時(shí)，由底面四角飄進(jìn)的灰塵量相對(duì)較少?？傊?，這種由布與繩結(jié)合的新型輕質(zhì)鏡罩方案為未來(lái)更大尺寸天文望遠(yuǎn)鏡的鏡罩設(shè)計(jì)提供了成功的借鑒思路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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