LAMOST反射施密特改正鏡新型鏡罩設計

周國華，王 海，楊德華

(中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所，江蘇 南京 210042；中國科學院天文光學技術重點實驗室，江蘇 南京 210042)

天文望遠鏡的鏡面是望遠鏡核心關鍵部件，一般均設置有鏡罩或鏡蓋進行安全保護。對于主鏡尺寸較小的傳統望遠鏡，鏡罩實現方式有多種，如我國興隆2.16m望遠鏡采用了轉動雙開門形式的兩個半圓形薄板構成簡易實用的鏡蓋[1]；盱眙1.2m近地天體探測望遠鏡采用了花瓣展開式多片薄板構成鏡蓋[2]，英國4.2m WHT望遠鏡也采用了類似的鏡蓋方案[3]；德國正在研制的2.5m太陽望遠鏡采用了簡易的布簾鏡罩[4]。具有更大口徑主鏡的望遠鏡一般很難采用上述形式的鏡罩方案，而是多采用將望遠鏡轉至水平安全指向避免意外損害。事實上，目前國際上的大口徑天文望遠鏡一般不再設置鏡罩。

大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡(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，呈長六邊形形狀，南北長5.72m，東西長4.40m[5]；其高度角跟蹤范圍為32.3°～90°，并要求高度回轉范圍為0°～90°。在不進行天文觀測時鏡面是水平朝上放置的，而觀測時是圓頂往兩側拉開，采用開放式觀測，風的影響顯著。雖然有圓頂保護，但對灰塵和異物的防護，僅靠圓頂是不夠的，需要考慮設置鏡罩來加強對鏡面的保護。反射施密特改正鏡尺寸較大，外形又非圓形，一般常規的鏡蓋方案會帶來機構復雜、迎風面積大、對回避擋光及空間結構干涉等問題也存在很大困難[6]。

針對LAMOST反射施密特改正鏡的特殊情況和要求，進行了多種鏡罩方案的研究和設計，并進行了樣機設計和實驗，經測試比較，最終選定新型輕質簾式鏡罩方案。該鏡罩滿足技術和實用要求，已投入正常使用。本文對以上工作進行系統回顧，特別對此新型輕質簾式鏡罩方案的研究和設計進行詳細介紹。

1 LAMOST反射施密特改正鏡鏡罩功能要求

天文望遠鏡鏡罩基本功能要求是可阻擋異物保護鏡面，且望遠鏡工作時不擋光，不影響觀測。LAMOST反射施密特改正鏡的結構如圖1，其特殊結構形式給鏡罩設計提出了特殊功能要求[7]：(1)鏡罩關閉后可防灰、擋冰雪、擋跌落的異物；(2)鏡罩本身不允許對鏡面安全產生威脅，不允許引起灰塵或異物跌落；(3)鏡罩開啟后不擋入射光線；(4)在要求的高度轉角范圍內必須避免空間結構干涉；(5)所有運動均采用自動控制；(6)安全可靠，外形美觀等要求。

2 鏡罩方案遴選

通過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構特點，為避免運動結構部件的干涉，不影響正常跟蹤觀測，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耳軸箱體作基礎，安裝鏡罩驅動機構。鏡罩整體關閉時呈半球狀，由對稱的兩半罩體組成，可分別向兩邊關閉。罩體由骨桿和蒙布構成，骨桿沿經向分布，蒙布罩于骨桿上，從而通過驅動骨桿的旋轉來開啟或關閉鏡罩。另外，還需在鏡面的長度方向兩端設置鏡罩支撐機構。此方案外觀協調，但由于鏡罩為圓形的，高度較高，其中間接縫不易保證密實可靠。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)推拉翻轉式方案

如圖3，在鏡面兩側各設置3片平板,逐漸推拉展開即形成鏡罩；打開工作時則逐漸收縮，然后翻轉立于耳軸箱體旁。為對該平板實現穩定可靠的支撐，又在長度方向設置了4塊能翻動的支撐板。圖4為試制的可推拉的3層平板框架。此方案結構復雜，運動控制也復雜，質量較重。

圖3 推拉翻轉式鏡罩的方案圖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)輕質簾式方案

在前兩種鏡罩方案設計和實驗的基礎上，結合二者的優點，并力求使鏡罩機構在鏡面上方沒有太重的構件，提出了一種輕質簾式的新型鏡罩設計方案。如果5，在鏡面兩側從支撐桁架上飛架兩根平行的彎曲C形開口軌道，由多根繩線來支撐和控制布質罩體的開啟和關閉；開啟后布質罩體擠縮在一端延長的導軌上；為避免結構干涉，在導軌的另一端設置了可轉動彎折的推拉機構。

圖5 輕質簾式鏡罩結構圖(左：側視圖，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種鏡罩方案的優缺點比較Table 1 Comparison of the three types of covers

3 輕質簾式鏡罩設計

根據以上方案設計和比較，選用輕質簾式方案作為LAMOST反射施密特改正鏡鏡罩的設計方案。下面對其設計進行詳述。

根據LAMOST反射施密特改正鏡的運動和結構特點，在鏡面支撐桁架兩側耳軸之上飛架兩根平行的彎曲C形開口方管，作為滑塊軌道；軌道最大限度地貼近鏡面，以便不擋觀測入射光；軌道側視外形與桁架的半球形外形相呼應，兩端稍稍向下彎曲。見圖5，軌道內各有25塊滑塊，同一根軌道內的25塊滑塊沿軌道方向用鋼絲繩相聯成串，而僅右側第一個滑塊與鋼絲繩固定，其余滑塊均可在此鋼絲繩上滑動；相鄰兩滑塊之間由一根300mm長的柔性線相連，以保證鏡罩展開時滑塊之間的間距均為300mm，如圖6，兩根軌道內的對應滑塊則有彈性柔性線相互連接，從而構成被拉平的橫跨鏡面上方25根鏡罩布的支撐繩線。

軌道末端各聯接一只步進電機驅動箱，共4只。軌道跟隨桁架一起跟蹤轉動，鏡罩開啟時，將由電機拖動滑塊使鏡罩布擠縮在左端(圖5)，不會遮擋入射光；被擠縮在一起的鏡罩布的頂面(積灰面)和內面始終不會交叉接觸，從而防止頂面上的積灰或異物掉落到鏡面上。步進電機及繞線機構如圖7，步進電機通過減速齒輪帶動繞線輪旋轉，圓柱形繞線輪上帶有螺紋槽，并在繞線輪直徑方向設置了兩只押線輪[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，軌道右端設置了推拉機構，使軌道末段部分可向內折疊收縮。

圖6 軌道、滑塊和繩線之間的連接關系Fig.6 Connections between the tracks, sliders，and strings

圖7 步進電機驅動箱機構Fig.7 Mechanisms of the stepping motorand drive box

3.1 工作過程

見圖5，當軌道左側兩只步進電機同步卷收鋼絲繩時，在軌道右端，固定在鋼絲繩末端的第一個滑塊將推動其余滑塊在軌道內集體往左滑動，這樣，鏡罩被打開；反之，當軌道右側的兩只步進電機同步卷收鋼絲繩時，隨著右端的第一滑塊在軌道內的往左滑動，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。需要說明的是，4只步進電機同步工作，即當左側兩只步進電機收線時，右側兩只放線，反之亦然；繞線量和放線量保持相同。

3.2 軌道推拉折疊機構設計

LAMOST反射施密特改正鏡高度角跟蹤范圍為32.3°～90°，但也要求鏡面可轉至豎直位置。由上所述，輕質簾式鏡罩呈矩形，因此，根據機架叉臂的結構狀況，軌道右側末段必須能折疊收縮，避免與叉臂支撐發生干涉，才能允許鏡面轉至豎直狀態。為此，兩根軌道右側各設置了一套電動推拉機構，使軌道右側末段可向內折疊。采用了商品化的電動開窗器作為推拉機構，圖8為軌道被推至正常伸直狀態。

圖8 軌道推拉折疊機構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 鏡罩布的選用和設計

鏡罩布應選擇紋理致密不易透灰塵的高強度輕質布料，經調研比較，降落傘布正好具有這些特性，滿足作為鏡罩布的要求。

整個鏡罩共由3塊布簾組成，頂面為一整塊，鏡面兩側各懸掛一塊長條狀簾布；頂面與側面簾布之間采用尼龍搭扣相聯，構成“門”字形輕型罩體將鏡面罩住。采用搭扣方式連接，便于裝拆，如清洗時拆裝。圖9為安裝在現場的鏡罩全貌，圖10為鏡罩正在開啟的狀態。

3.4 鏡罩的電控設計

圖10 鏡罩正在開啟中的狀態Fig.10 The cover being opened

鏡罩開合動作由4只電機同時工作，每根軌道兩端各安裝一只電機，工作中一收一放，需要進行同步控制。系統工作的特點是：同步精度要求高，速度和定位要求一般。采用步進電機驅動，采用編碼器作為檢測元件檢測滑塊鋼絲繩的牽引距離，并用接近開關檢測滑塊是否到位。軌道推拉折疊機構則只有定位要求，控制簡單。采用兩只商品化的開窗器作為執行器件，由力矩電機驅動，采用繼電器控制電機通斷電，行程開關來控制行程。

圖11 鏡罩電控系統框圖Fig.11 Block diagram of the electronic control system of the cover of the Schmidt plate

從整架望遠鏡系統總體考慮，鏡罩是望遠鏡的一部分，鏡罩能否正常開合還應與望遠鏡觀測過程特別是高度角結合考慮，因此鏡罩控制應和望遠鏡機架控制結合起來，為此，采用了同一計算機和控制器，在望遠鏡機架控制系統軟件上增加了相應控制模塊，這樣有利于簡化系統，增加可靠性，降低成本。控制系統框圖如圖11。

4 現場安裝調試

LAMOST反射施密特改正鏡罩是在鏡面全部安裝完成后安排設計的，因此設計中必須充分考慮鏡罩零部件的長途運輸和鏡罩在現場的安裝及調試的便利性。由于鏡罩體積大，結構設計得輕巧單薄，而安裝和保護對象卻是精密易損的望遠鏡鏡面，因此，設計中力圖考慮全面周到，采用簡單可靠的安裝工藝，以利于現場安裝和調試工作的順利完成。因為無法在加工地點進行全面安裝調試，這對傳動和控制系統的設計要求更為嚴格，因此，采用“細致設計、配備備件”的策略，盡量減少現場裝調中出現未預料到的問題。盡管如此，鏡罩初裝時，電機動力尚顯不足，牽引滑塊的繩線彈性偏大，試運行一周中偶有故障發生，經換為彈性模量更大的鋼絲繩，細化改進了電機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集成到望遠鏡整體觀測控制系統中。鏡罩現場實物如圖8～10所示，經半年來的運行考驗,本鏡罩的設計取得了滿意的效果。

5 結 論

本文針對LAMOST反射施密特改正鏡的特殊情況和要求，通過對多種鏡罩方案的研究設計和樣機比較，選定了新型輕質簾式鏡罩方案。此鏡罩已在LAMOST望遠鏡現場成功運行半年，安全可靠性得到了確認。該新型輕質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置鏡罩的困難，滿足了鏡罩設計技術要求，且具有外形美觀實用，機械結構簡單及運行安全可靠等特點。由于該鏡罩外形為長方形，而鏡面為長六邊形，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。幸運的是，鏡面朝天放置時，由底面四角飄進的灰塵量相對較少。總之，這種由布與繩結合的新型輕質鏡罩方案為未來更大尺寸天文望遠鏡的鏡罩設計提供了成功的借鑒思路和實踐經驗。

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