针对大口径望远镜主镜在环境温度变化和太阳辐照变化引起的温度场变化进行了理论分析,根据圆柱坐标下设立的非稳态热传导方程和边界条件,利用分离变量法和格林函数法求解了主镜的温度场分布。为了验证求解的有效性,利用求得的温度场解析式和有限元软件分别分析了2.8 m口径望远镜实心主镜,反射面径向温度分布具有良好的一致性。表明该理论解析式能够较好地反映主镜反射面的温度场分布。将轻量化主镜进行无筋板的薄型镜热模型等效,并分别对两种镜子的温度场进行仿真计算,以此验证等效模型的正确性。轻量化主镜温度场的等效理论计算结果在主镜的早期设计研究阶段具有良好的参考价值。

针对热膨胀率较大的SiC反射镜, 设计了结合A-Frame柔性切向杆侧向支撑结构和机械式Whiffletree轴向支撑结构、具有良好热解耦能力的1.2 m SiC轻量化主镜被动支撑系统。为研究A-Frame柔性侧向支撑机构对主镜支撑面形、热解耦和系统刚度的影响, 利用Ansys软件对支撑系统的支撑效果进行了有限元分析, 而后对实际的支撑系统进行了相关试验测试。测试显示在光轴竖直和水平两种状态下, 使用提出的支撑机构的支撑系统引起的主镜镜面变形误差RMS的变化小于13 nm; 在实验室温度14~23℃下, 检测得到主镜面形RMS最大差异为1.9 nm。利用模态分析仪对该主镜及支撑系统进行的动态测试表明: 系统的一阶固有频率为52.7 Hz, 而理论分析为63 Hz, 且前6阶模态振型与分析一致。得到的分析和测试结果都表明该被动支撑系统支撑效果良好, 且具有较高的支撑刚度和良好的热解耦能力。

由于地基大口径望远镜主镜视宁度与望远镜系统成像质量相关,本文研究了环境对主镜视宁度的影响.理论分析了影响主镜视宁度大小的因素,得出主镜视宁度会随主镜表面和环境之间温差的增大而增大的结论.利用有限元法分析了自然对流和吹风条件下主镜的温度变化和温度分布;最后通过相应工况条件下2 m SiC轻量化主镜的温度测试实验对仿真分析结果进行了验证.实验结果显示:在初始温差为6℃的无风自然对流情况下,主镜与环境达到温度平衡约需4 h;而在初始温差为8℃的吹风情况下,主镜与环境达到热平衡仅需1.5 h.分析和实验结果表明:采用强迫对流热控措施可快速而有效地将主镜视宁度控制在合理的范围内,可获得更多的望远镜观测时间,同时保证大口径望远镜系统的成像质量.

针对4 m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大, 面形精度要求高的特点, 提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重, 主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力, 从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围, 提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化, 确定了轴向54点和侧向24点等间距等力(β=0.5)支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时, 主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8 nm和82.9 nm。采用主动校正后, 主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0 nm和9.8 nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30(λ=632.8 nm)的指标要求。

对大口径主镜的侧向支撑结构进行了优化, 以便最大限度地降低重力作用下的镜面变形。首先, 从理论上给出了一种优化主镜边缘侧支撑结构的判据和思路, 然后, 引入边缘切向剪切侧支撑原理, 阐述了这种支撑形式的优化思想和优势。以口径为2060 mm的扇形轻量化主镜作为分析实例, 采用16个边缘离散支撑点, 优化设计等角间距侧向支撑, 并针对轻量化主镜的结构特点和等角间距支撑下支撑力值相差较大的缺点, 将等角间距改为不等角间距侧向支撑, 分析推导了相应的支撑力公式。结果显示, 改进后的支撑形式提高了系统的支撑刚度, 镜面变形由原来的1.723 nm降为1.633 nm。所研究的边缘切向剪切支撑方式很大程度上保证了主镜镜面面形, 对不同口径的扇形孔轻量化主镜的设计有普适性。

为了准确地预算出大口径SiC轻量化主镜镜面的温度变形，研究了不同热模式下SiC轻量化主镜镜面面形的定标和计算方法。将SiC轻量化主镜上的温度传感器在轴向厚度方向上进行分层处理，对每层上的温度分布采用准Zernike多项式进行拟合。以4 m SiC轻量化主镜为例，采用有限元法分别对准Zernike前9项温度模式(18种温度场)下的镜面变形进行定标计算，得出各种单位载荷作用下轻量化主镜镜面的最大变形以及面形误差PV值和RMS值。计算结果表明：准Zernike第一项模式、单位载荷作用下镜面变形最大，其面形误差RMS为278.3 nm。采用最小二乘法对各种温差场下的镜面误差进行准Zernike多项式拟合，获得了准Zernike像差项的系数。采用最小二乘法拟合计算出镜面变形误差产生的准Zernike像差项的系数，结果表明，18种温度场下产生的像差形式主要有：平移、倾斜、离焦、彗差和像散。