60公分专业天文望远镜设计方案

60厘米天文望远镜方案设计

一、简介：

60厘米天文望远镜的方案是根据深圳市气象局招标书中的技术要求和科学目标而设计的，其设计宗旨是：

1、具有高品质的光学系统，实现高精度天体物理研究。

2、具有美观的外形和高刚度的机械结构，以保证在恶劣环境下能正常工作。

3、具有高精度的轴系，实现精细跟踪和观测。

4、具有稳定、可靠的控制系统。

5、配备远程控制技术，达到国内先进水准。

6、该望远镜主要用于恒星精细观测，可进行高精度的天体物理实测，低色散光谱观测、小行星搜寻及目视观测。

根据招标书要求，60厘米望远镜采用赤道叉式结构装置。通过控制系统直接驱动赤径赤纬力矩电机，革除了传统的机械减速机构引起的误差，实现3″的指向精度和跟踪精度。光学系统结构形式采用RC系统，镜筒设计成薄壁筒状形式，分别由副镜室、中间快和主镜室组成。具有远程控制的功能，可通过网络实现异地天文观测和数据传递功能。

二、光学系统设计：

1、主光路系统设计：

1.1、标书中规定的科学目标和技术参数：

★标书中确定主光路的科学目标是：恒星精细观测、高精度天

体测量及低色散光谱观测等。

★标书中确定主光路的参数指标为：RC系统，有效口径600mm，工作波长380nm-1000nm，焦比在f8-f10之间，系统像差<200nm RMS，。

★标书中确定主光路中的主镜、副镜的镜坯材料选用热膨胀系数< 0.1e-6/°C。

★标书中确定该望远镜具有小行星搜寻功能。

★标书确定在卡焦处配备B、V、R、I波段、白光、氢I6563埃窄带滤光片。

★标书确定在卡焦处的接收器是：U-6CCD。

1.2、设计方案：

★根据标书的要求，主光路系统按RC系统设计，焦比选择f/8，主镜又小口径600mm。查询U-6CCD的靶面为24.6X24.6mm，为保证U-6CCD的靶面充满视场像，经计算后系统的有效视场为20′。确保20′视场内80％的光能量集中在1.2″以内（见光学设计图）。

★根据标书的要求，望远镜具有搜寻小行星的功能。为此，在主光路中设计一组1/2的缩焦镜，使视场扩大至40′，焦面像尺寸不变，以满足U-6CCD的靶面接收。

★根据标书的要求，主光路中的主镜、副镜的镜坯材料选用美国康宁公司ULE7973低膨胀系数的镜坯，膨胀系数为100X10-9/°C。

★根据标书的要求，滤光片及CCD均选用美国公司产品，并由厂家将滤光片和CCD集成一体，保证质量。

2、导星系统设计：

★标书中确定导星光路的科学目标是：具有自动导星功能。

根据标书的要求，导星镜设计成双分离折射式系统，有效口径Φ150mm，系统焦比f/13.3，系统焦距2000mm，有效视场为1°，焦面像斑尺寸为mm，在焦点处配置CCD实现1″精度的导星功能。

3、寻星系统设计：

寻星镜采用双分离折射系统，有效口径Φ80mm，系统焦比为f/6.25，系统焦距f′=500，有效视场为3°，配广角目镜取f′＝28，放大倍率约为18倍。

三、机械结构设计：

1、标书中规定的科学目标和技术参数：

★标书中确定：望远镜为赤道叉式装置，指向精度优于3″（RMS），开环跟踪精度10分钟内优于0.6″（RMS），10秒钟内优于0.2″（RMS）。

★标书中确定：望远镜工作温度-5℃到50℃，工作湿度35%到100%，工作抗风能力15m/s（10分钟内的平均风），破坏性抗风能力平均35m/s（10分钟内的平均风）。

2、设计方案：

根据标书的要求，本望远镜采用赤道叉式装置的方案，整台望远镜由镜筒、叉臂、底座和传动四大部套组成。为保证指向和跟踪精度采取的设计方案如下：

★赤径赤纬两轴均采用力矩电机直接驱动，革除传动链引起的误差。

★采用高精度的钢带码盘和读数头作速度和位置闭环控制，提

高系统精度。

★采用高刚度的机械装置和结构，进行力学分析，在设计源头加以控制。

★选用高精度的轴承，在装调中预紧，消除径向和轴向的游隙，提高轴系精度。

★设计可靠的主副镜支撑机构，严格控制主副镜光轴在运转中产生相对位移和旋转。

★控制加工精度、严把检验关，严格按质量体系的要求追踪望远镜的研制全过程。

★运用天文修正的技术，精细地提高指向和跟踪精度。

★选用满足环境要求的电子元件及器件。

3、镜筒设计：

镜筒设计成圆柱筒式结构。镜筒由内藏式镜盖、副镜支撑机构、中间块、主镜支撑机构、接收器等组成。在卡焦上配有滤光片和U-6CCD ，可进行恒星精细观测、高精度天体测量及低色散光谱观测等。人工切换缩焦镜后可进行小行星搜寻。望远镜外形示意图如下所示：

★内藏式镜盖设计：

在副镜前端设计电动镜盖，由电机控制多片式镜盖实现启闭功能，每2片由一套电机和锥齿轮传动。镜盖打开时镜盖片应低于遮光筒，既美观又防风。

★副镜室设计：

副镜采用四叶支撑机构，此结构既有较好的热稳定性，又有很好的支撑刚性。采用步进电机、滚珠丝杆实现副镜调焦，调焦灵敏度优于0.3″的星象直径变化。为了方便光学装校，副镜应具有倾斜和X，Y二维调整机构，调整完毕后机械锁紧。副镜顶端应有安装平衡重的位置，以便转换接收器后调整镜筒平衡。

★中间块设计：

中间块为外八角形、内圆的薄壁箱式焊接结构，应具有较强的

刚性。中间块两侧轴孔联接纬轴，下部联接主镜室，上部联接镜筒和副镜室。在设计时主要注意重心位置精确分布。

★主镜室设计：

主镜底支撑采用九点式跷跷板机构，侧支撑采用重锤式机构，保证主镜的重力变形小于1/10波长，主镜径向位移小于0.02mm，主镜下沉量小于0.05mm。主镜中心用铟钢球头定位，保证光轴与机械轴同轴，故中心定位筒与镜子的中孔配合间隙应小于0.005mm，以确保主镜的精确定位。待主镜中孔加工后测量出精确尺寸，再加工铟钢球头，以保证相互间的公差。

4、叉臂设计：

叉臂的作用是支撑镜筒，本方案采用刚度好的薄板箱形结构，可在小自重下实现大刚度。

叉臂变形后产生的转角直接影响望远镜的指向精度和跟踪精度，叉臂最大弯曲应小于40″，此时对应的星平均偏离速度6″/小时，不影响使用效果，由于叉臂的刚度对指向和跟踪精度影响不大，在此不需作过多叙述。在设计中我们只需对叉臂的二个极限位置的变形计算即可。

在设计时尽量保证叉臂在不同重力方向下变形量相同，以确保极轴指向的稳定性，为保证叉臂的二臂同时承重，应在赤纬轴与叉臂连接时加预紧力，预紧力大小约为镜筒重量的一半。

5、纬轴设计：

赤纬轴承主要保证镜筒的正确位置，并保证镜筒在不同天顶距