阻導(dǎo)風(fēng)板及其在NVST上的測(cè)試結(jié)果*

李 志，宋騰飛，許 駿

(中國科學(xué)院國家天文臺(tái)/云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011)

云南天文臺(tái)主持研制的1 m紅外太陽望遠(yuǎn)鏡是目前國際上建成的最大的地平式對(duì)稱光路真空太陽望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡采用平移式全開放圓頂。望遠(yuǎn)鏡建筑物離澄江撫仙湖湖岸線只有約5 m，這種布置保持了臺(tái)址優(yōu)良的視寧度，然而，這使望遠(yuǎn)鏡曝露在湖陸風(fēng)的影響下，風(fēng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的擾動(dòng)影響觀測(cè)［1］。

這種矛盾不單是在NVST上存在。目前，國內(nèi)外的太陽望遠(yuǎn)鏡為了減少地面熱效應(yīng)對(duì)視寧度的影響，臨水安裝被認(rèn)為是比較好的方案。為了減小圓頂視寧度，又常采用全開式圓頂，因此，風(fēng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的影響是一個(gè)普遍問題。此外，由于NVST的光路特殊，主鏡體采用全密封的真空鏡筒，導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡風(fēng)阻力矩相對(duì)于桁架式結(jié)構(gòu)的望遠(yuǎn)鏡要大得多，這種影響更嚴(yán)重。阻導(dǎo)風(fēng)板在NVST上取得了較好的結(jié)果，望遠(yuǎn)鏡能在較高風(fēng)力等級(jí)下工作，這一經(jīng)驗(yàn)可供同類望遠(yuǎn)鏡借鑒。

1 太陽望遠(yuǎn)鏡的特殊性

天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)，用于保護(hù)望遠(yuǎn)鏡的圓頂建筑會(huì)破壞望遠(yuǎn)鏡鏡筒處的視寧度。圓頂內(nèi)部不均勻的溫度分布形成光路上的湍流，稱為圓頂視寧度。在夜天文中，這種熱源主要來自建筑物積熱和設(shè)備發(fā)熱，而在太陽觀測(cè)中，則主要是來自太陽輻射。對(duì)于采用格里高利系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)1焦點(diǎn)常設(shè)計(jì)有視場(chǎng)光闌，從光闌反射的光也是一個(gè)巨大的熱源，并且較難處理，而采用全開式圓頂則是一個(gè)比較完美的解決方案。國內(nèi)外的一些天文望遠(yuǎn)鏡［2－7］包括NVST就采用了這種裸露觀測(cè)方式。

裸露觀測(cè)雖避開了圓頂視寧度的影響，但卻又引入了另一種不利因素，就是風(fēng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的影響。望遠(yuǎn)鏡裸露觀測(cè)時(shí)，不可避免會(huì)有風(fēng)吹在望遠(yuǎn)鏡鏡體上，而望遠(yuǎn)鏡在制造中必然存在一些機(jī)械加工誤差和配合間隙，望遠(yuǎn)鏡相對(duì)自身旋轉(zhuǎn)軸的幾何面形也不可能完全對(duì)稱，因此其受風(fēng)面積和狀態(tài)也是不對(duì)稱的。這些誤差哪怕很小，在風(fēng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)力矩，導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)繞旋轉(zhuǎn)軸(高度軸和方位軸)的晃動(dòng)和在間隙內(nèi)的竄動(dòng)。作用力的大小和望遠(yuǎn)鏡受風(fēng)面積的大小有關(guān)，產(chǎn)生的力矩與結(jié)構(gòu)有關(guān)。也就是說，一方面，望遠(yuǎn)鏡越大受風(fēng)面積也越大;另一方面，望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)相對(duì)于轉(zhuǎn)軸越不對(duì)稱力矩就越大。

望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計(jì)制造時(shí)有一定的剛度要求。為減小望遠(yuǎn)鏡的驅(qū)動(dòng)力，大望遠(yuǎn)鏡往往將鏡體的質(zhì)量分布設(shè)計(jì)得相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸基本平衡，這樣，不大的力矩就能驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)。也正因?yàn)槿绱?，不大的風(fēng)力也能構(gòu)成對(duì)望遠(yuǎn)鏡的影響。同時(shí)，質(zhì)量上的對(duì)稱也使得地平望遠(yuǎn)鏡通常相對(duì)于高度軸幾何不對(duì)稱。風(fēng)對(duì)鏡筒的作用力是隨機(jī)變化的，這種隨機(jī)間歇式的作用使得望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生晃動(dòng)。機(jī)械上的晃動(dòng)看起來似乎不大，但對(duì)天文望遠(yuǎn)鏡來說，由于一般都有較長的焦距，微小的機(jī)械晃動(dòng)也能被望遠(yuǎn)鏡放得很大，導(dǎo)致天體的影像在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中跳動(dòng)，風(fēng)大時(shí)，甚至能將觀測(cè)目標(biāo)晃出望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)視場(chǎng)。因此天文望遠(yuǎn)鏡一般只能在某級(jí)風(fēng)之下才能正常工作，通常的要求是四級(jí)風(fēng)。

2 NVST的結(jié)構(gòu)和風(fēng)的作用

1 m紅外太陽望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)大口徑地平式真空望遠(yuǎn)鏡，為減小光路中熱對(duì)流對(duì)像質(zhì)的影響，主光路光學(xué)器件均在真空鏡筒中。鏡筒外徑約1300 mm，鏡筒長4390 mm，以高度軸分為上段和下段。上段長3150 mm，下段長1240 mm(圖1)。可以看出鏡筒有較大的受風(fēng)面，而且特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)決定了望遠(yuǎn)鏡高度軸位于鏡筒后端約1/3處。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了風(fēng)在鏡筒上相對(duì)高度軸兩端產(chǎn)生的力矩是不對(duì)稱平衡的，相當(dāng)于鏡筒前端有了可以使望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)的力矩。

圖1 1 m紅外望遠(yuǎn)鏡Fig.1 The NVST

正常工作時(shí)，NVST裸露在高臺(tái)上進(jìn)行觀測(cè)，望遠(yuǎn)鏡的工作環(huán)境是全敞開的，一般情況下會(huì)有持續(xù)的風(fēng)吹在力矩不平衡的望遠(yuǎn)鏡上，當(dāng)風(fēng)力大于望遠(yuǎn)鏡抗風(fēng)剛度時(shí)，會(huì)使望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生可察覺晃動(dòng)。由于望遠(yuǎn)鏡主光路等效焦長達(dá)45 m，微小的晃動(dòng)經(jīng)望遠(yuǎn)鏡放大后，觀測(cè)目標(biāo)在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中會(huì)有很大的跳動(dòng)。

為減弱風(fēng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的作用，根據(jù)NVST的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作環(huán)境研制了阻導(dǎo)風(fēng)板，經(jīng)一段時(shí)間的實(shí)際測(cè)試，證明設(shè)計(jì)是成功的，能有效減弱風(fēng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的作用，提高了望遠(yuǎn)鏡能穩(wěn)定工作的風(fēng)力等級(jí)，增加了獲得更好觀測(cè)資料的幾率，即提高了望遠(yuǎn)鏡效益。

與此有關(guān)的是，NVST正下方耦和有6 m直徑的大型垂直光譜儀，使建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上表面面積較大，并使基墩高達(dá)16 m。阻導(dǎo)風(fēng)板還改善了觀測(cè)室地板的熱交換情況，降低了觀測(cè)室地板的溫度，更好地改善了圓頂視寧度。

3 阻導(dǎo)風(fēng)板的數(shù)值計(jì)算及實(shí)際設(shè)計(jì)

針對(duì)NVST的結(jié)構(gòu)及其裸露觀測(cè)模式，為減小風(fēng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的作用，設(shè)計(jì)了一套活動(dòng)環(huán)形阻導(dǎo)風(fēng)裝置，它一方面能夠阻擋風(fēng)，另一方面能將風(fēng)導(dǎo)向特定的方向，故稱為“阻導(dǎo)風(fēng)板”。在阻導(dǎo)風(fēng)板的設(shè)計(jì)中，百頁式導(dǎo)風(fēng)板頁片與地面的夾角和弧形阻風(fēng)障板的輪廓形狀是設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。頁片的夾角對(duì)流場(chǎng)有重要影響，而阻導(dǎo)風(fēng)板的輪廓合理，能使望遠(yuǎn)鏡在視線不受遮擋的前提下有最小的受風(fēng)面積。

阻導(dǎo)風(fēng)板由3部分組成(圖2):

(1)百頁式導(dǎo)風(fēng)板。百頁式導(dǎo)風(fēng)板是由一些矩形薄板組成。矩形薄板的兩條長邊水平安裝在導(dǎo)板框架上，板平面與地平有一個(gè)由仿真確定的傾角。薄板材料選用導(dǎo)熱吸熱效果差的材料制作，避免板子吸熱放熱時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)的熱交換。

(2)弧形阻風(fēng)障板?；⌒巫栾L(fēng)障板可以程控升降。

(3)環(huán)形框架。環(huán)形框架可以程控旋轉(zhuǎn)。

之前做了一個(gè)6級(jí)風(fēng)下，無望遠(yuǎn)鏡時(shí)阻導(dǎo)風(fēng)板簡(jiǎn)化模型下的數(shù)值模擬，得到了圖3的風(fēng)向曲線。望遠(yuǎn)鏡圖形按比例在仿真完后置入圖中。數(shù)值模擬采用Fluent流體計(jì)算軟件，不可壓定常流動(dòng)假設(shè)，非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分。邊值取阻導(dǎo)風(fēng)板前6級(jí)風(fēng)，板后和上部為自由邊界，下面為墻面。從圖3中風(fēng)的流線可以看出，風(fēng)經(jīng)阻導(dǎo)風(fēng)板后，風(fēng)向被導(dǎo)向地板，從而減弱了風(fēng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的直接作用并改善地板的散熱狀況。

圖2 阻導(dǎo)風(fēng)板的結(jié)構(gòu)Fig.2 The set of H－G Windscreens

圖3 流場(chǎng)和望遠(yuǎn)鏡Fig.3 Air flowfield around the NVST

在前一節(jié)提到百頁式導(dǎo)風(fēng)板頁片與地平面有一個(gè)由仿真結(jié)果確定的特定的夾角。仿真的基本點(diǎn)是最高導(dǎo)風(fēng)板將風(fēng)向?qū)е镣h(yuǎn)鏡筒端口下。調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)板頁片與地面的夾角，圖3中的流場(chǎng)相應(yīng)變化，認(rèn)為圖3的流場(chǎng)是最合理的，在實(shí)際應(yīng)用中也采用了該流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的頁片角度。當(dāng)然，實(shí)際流體不是直線導(dǎo)向，要比仿真結(jié)果復(fù)雜得多。

弧形阻導(dǎo)風(fēng)板的外形如圖2，上沿口為弧形狀，弧形輪廓由望遠(yuǎn)鏡安放地太陽兩至(冬夏至)時(shí)運(yùn)行軌跡先在與地平垂直的正南向進(jìn)行投影，然后將其平均后得到上口輪廓。兩至太陽運(yùn)行的軌跡投影見圖4。

圖4 兩至太陽軌跡Fig.4 Solar trajectory in the summer and winter solstices

環(huán)形框架是支撐阻導(dǎo)風(fēng)板的支架，望遠(yuǎn)鏡放置在環(huán)形架中心。環(huán)形架可根據(jù)風(fēng)向帶動(dòng)阻導(dǎo)風(fēng)板旋轉(zhuǎn)，以使阻導(dǎo)風(fēng)板面盡量與風(fēng)向垂直。同時(shí)弧形阻風(fēng)障板也可根據(jù)觀測(cè)時(shí)太陽的高度在環(huán)形架上作垂直升降，更有效地起到阻導(dǎo)風(fēng)的作用。設(shè)計(jì)一個(gè)氣象站實(shí)測(cè)當(dāng)前的風(fēng)向，并從望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)獲取當(dāng)前望遠(yuǎn)鏡的指向數(shù)據(jù)。根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)，控制計(jì)算機(jī)控制部件(2)和部件(3)運(yùn)動(dòng)，優(yōu)化阻導(dǎo)風(fēng)板的指向角度和弧形阻風(fēng)障板的高度，使風(fēng)在望遠(yuǎn)鏡上的作用力矩最?。?］。

4 阻導(dǎo)風(fēng)板的實(shí)際應(yīng)用和測(cè)試結(jié)果

環(huán)形阻導(dǎo)風(fēng)板已于2010年8月在云南天文臺(tái)澄江老鷹地作為NVST的附屬設(shè)施投入應(yīng)用(圖5)。當(dāng)然，NVST的附屬設(shè)施不只阻導(dǎo)風(fēng)板，其它與望遠(yuǎn)鏡緊密相關(guān)的部件另文介紹。

對(duì)阻導(dǎo)風(fēng)的效果做了實(shí)測(cè)，以確認(rèn)阻導(dǎo)風(fēng)板在實(shí)際情況下，板后的風(fēng)速是否減小。實(shí)測(cè)方法如下:在阻導(dǎo)風(fēng)板外側(cè)約1.5 m處安置一個(gè)風(fēng)速風(fēng)向儀;在板背風(fēng)的后面望遠(yuǎn)鏡鏡體附近取5個(gè)點(diǎn)，這5個(gè)點(diǎn)分布在適當(dāng)?shù)母叨群推矫嫖恢蒙?，另一臺(tái)與外側(cè)設(shè)備同一性能規(guī)格的風(fēng)速風(fēng)向儀順序放置在這5個(gè)點(diǎn)上(圖6)，實(shí)時(shí)采集記錄阻導(dǎo)風(fēng)板外和阻導(dǎo)風(fēng)板后面的風(fēng)速，圖7是5個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的實(shí)測(cè)記錄。分別比較阻導(dǎo)風(fēng)板內(nèi)外風(fēng)速風(fēng)向儀同時(shí)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)，可看出阻導(dǎo)風(fēng)板的效果。圖中細(xì)實(shí)線是阻導(dǎo)風(fēng)板前的風(fēng)速變化曲線，虛線是阻導(dǎo)風(fēng)板后風(fēng)速的變化曲線，它們各自之間的粗實(shí)線反映了它們的變化趨勢(shì)。從中可以看出，經(jīng)過阻導(dǎo)風(fēng)板后，風(fēng)速有明顯的減弱，而且風(fēng)速的波動(dòng)也較之阻導(dǎo)風(fēng)板前平穩(wěn)。

表1列出了阻導(dǎo)風(fēng)板前后各測(cè)試位置的平均值和平均值之差，以及阻導(dǎo)風(fēng)板前后鏡筒所受風(fēng)力之比。

圖5 安裝完成的阻導(dǎo)風(fēng)板Fig.5 The installed H－G windscreen

因是同一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，式中C、A和ρ均相同，β只由平均速度的平方?jīng)Q定。由表中β值可以看出，經(jīng)過障板之后，風(fēng)的力量減弱了一個(gè)量級(jí)以上。

圖6 測(cè)風(fēng)風(fēng)杯分布Fig.6 Distribution of the wind－cups

表1 實(shí)測(cè)結(jié)果和分析Table 1 The test results and their analysis

圖7 風(fēng)速實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.7 Testing results of wind speeds

5 結(jié)論

通過對(duì)1 m紅外太陽望遠(yuǎn)鏡阻導(dǎo)風(fēng)板的實(shí)測(cè)，可以得到如下結(jié)論:

(1)經(jīng)過阻導(dǎo)風(fēng)板后，風(fēng)速有明顯的減弱，而且阻導(dǎo)風(fēng)板后風(fēng)速的波動(dòng)也較之板前平穩(wěn)。

(2)經(jīng)過阻導(dǎo)風(fēng)板之后，風(fēng)的力量減弱了一個(gè)量級(jí)以上。

(3)1 m紅外太陽望遠(yuǎn)鏡阻導(dǎo)風(fēng)板的設(shè)計(jì)是成功、有效的，能起到阻風(fēng)、導(dǎo)風(fēng)的作用，有效地減少風(fēng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的作用，提高了望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)的穩(wěn)定性。這樣的阻導(dǎo)風(fēng)板形式或結(jié)構(gòu)除了應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡裸露觀測(cè)下的風(fēng)保護(hù)外，也能應(yīng)用于需要減弱風(fēng)作用的各種場(chǎng)合。

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