阻導風板及其在NVST上的測試結果*

李 志，宋騰飛，許 駿

(中國科學院國家天文臺/云南天文臺，云南 昆明 650011)

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

這種矛盾不單是在NVST上存在。目前，國內外的太陽望遠鏡為了減少地面熱效應對視寧度的影響，臨水安裝被認為是比較好的方案。為了減小圓頂視寧度，又常采用全開式圓頂，因此，風對望遠鏡的影響是一個普遍問題。此外，由于NVST的光路特殊，主鏡體采用全密封的真空鏡筒，導致望遠鏡風阻力矩相對于桁架式結構的望遠鏡要大得多，這種影響更嚴重。阻導風板在NVST上取得了較好的結果，望遠鏡能在較高風力等級下工作，這一經驗可供同類望遠鏡借鑒。

1 太陽望遠鏡的特殊性

天文望遠鏡觀測時，用于保護望遠鏡的圓頂建筑會破壞望遠鏡鏡筒處的視寧度。圓頂內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備發熱，而在太陽觀測中，則主要是來自太陽輻射。對于采用格里高利系統的望遠鏡，F1焦點常設計有視場光闌，從光闌反射的光也是一個巨大的熱源，并且較難處理，而采用全開式圓頂則是一個比較完美的解決方案。國內外的一些天文望遠鏡［2－7］包括NVST就采用了這種裸露觀測方式。

裸露觀測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，就是風對望遠鏡的影響。望遠鏡裸露觀測時，不可避免會有風吹在望遠鏡鏡體上，而望遠鏡在制造中必然存在一些機械加工誤差和配合間隙，望遠鏡相對自身旋轉軸的幾何面形也不可能完全對稱，因此其受風面積和狀態也是不對稱的。這些誤差哪怕很小，在風的作用下，會產生不對稱的旋轉力矩，導致望遠鏡出現繞旋轉軸(高度軸和方位軸)的晃動和在間隙內的竄動。作用力的大小和望遠鏡受風面積的大小有關，產生的力矩與結構有關。也就是說，一方面，望遠鏡越大受風面積也越大;另一方面，望遠鏡結構相對于轉軸越不對稱力矩就越大。

望遠鏡在設計制造時有一定的剛度要求。為減小望遠鏡的驅動力，大望遠鏡往往將鏡體的質量分布設計得相對旋轉軸基本平衡，這樣，不大的力矩就能驅動望遠鏡旋轉。也正因為如此，不大的風力也能構成對望遠鏡的影響。同時，質量上的對稱也使得地平望遠鏡通常相對于高度軸幾何不對稱。風對鏡筒的作用力是隨機變化的，這種隨機間歇式的作用使得望遠鏡產生晃動。機械上的晃動看起來似乎不大，但對天文望遠鏡來說，由于一般都有較長的焦距，微小的機械晃動也能被望遠鏡放得很大，導致天體的影像在望遠鏡視場中跳動，風大時，甚至能將觀測目標晃出望遠鏡觀測視場。因此天文望遠鏡一般只能在某級風之下才能正常工作，通常的要求是四級風。

2 NVST的結構和風的作用

1 m紅外太陽望遠鏡是一臺大口徑地平式真空望遠鏡，為減小光路中熱對流對像質的影響，主光路光學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面，而且特殊的光學設計決定了望遠鏡高度軸位于鏡筒后端約1/3處。這種結構導致了風在鏡筒上相對高度軸兩端產生的力矩是不對稱平衡的，相當于鏡筒前端有了可以使望遠鏡旋轉的力矩。

圖1 1 m紅外望遠鏡Fig.1 The NVST

正常工作時，NVST裸露在高臺上進行觀測，望遠鏡的工作環境是全敞開的，一般情況下會有持續的風吹在力矩不平衡的望遠鏡上，當風力大于望遠鏡抗風剛度時，會使望遠鏡產生可察覺晃動。由于望遠鏡主光路等效焦長達45 m，微小的晃動經望遠鏡放大后，觀測目標在望遠鏡視場中會有很大的跳動。

為減弱風對望遠鏡的作用，根據NVST的結構特點和工作環境研制了阻導風板，經一段時間的實際測試，證明設計是成功的，能有效減弱風對望遠鏡的作用，提高了望遠鏡能穩定工作的風力等級，增加了獲得更好觀測資料的幾率，即提高了望遠鏡效益。

與此有關的是，NVST正下方耦和有6 m直徑的大型垂直光譜儀，使建筑物結構復雜，上表面面積較大，并使基墩高達16 m。阻導風板還改善了觀測室地板的熱交換情況，降低了觀測室地板的溫度，更好地改善了圓頂視寧度。

3 阻導風板的數值計算及實際設計

針對NVST的結構及其裸露觀測模式，為減小風對望遠鏡的作用，設計了一套活動環形阻導風裝置，它一方面能夠阻擋風，另一方面能將風導向特定的方向，故稱為“阻導風板”。在阻導風板的設計中，百頁式導風板頁片與地面的夾角和弧形阻風障板的輪廓形狀是設計的要點。頁片的夾角對流場有重要影響，而阻導風板的輪廓合理，能使望遠鏡在視線不受遮擋的前提下有最小的受風面積。

阻導風板由3部分組成(圖2):

(1)百頁式導風板。百頁式導風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板框架上，板平面與地平有一個由仿真確定的傾角。薄板材料選用導熱吸熱效果差的材料制作，避免板子吸熱放熱時產生強的熱交換。

(2)弧形阻風障板。弧形阻風障板可以程控升降。

(3)環形框架。環形框架可以程控旋轉。

之前做了一個6級風下，無望遠鏡時阻導風板簡化模型下的數值模擬，得到了圖3的風向曲線。望遠鏡圖形按比例在仿真完后置入圖中。數值模擬采用Fluent流體計算軟件，不可壓定常流動假設，非結構性網格劃分。邊值取阻導風板前6級風，板后和上部為自由邊界，下面為墻面。從圖3中風的流線可以看出，風經阻導風板后，風向被導向地板，從而減弱了風對望遠鏡的直接作用并改善地板的散熱狀況。

圖2 阻導風板的結構Fig.2 The set of H－G Windscreens

圖3 流場和望遠鏡Fig.3 Air flowfield around the NVST

在前一節提到百頁式導風板頁片與地平面有一個由仿真結果確定的特定的夾角。仿真的基本點是最高導風板將風向導至望遠鏡筒端口下。調節導風板頁片與地面的夾角，圖3中的流場相應變化，認為圖3的流場是最合理的，在實際應用中也采用了該流場對應的頁片角度。當然，實際流體不是直線導向，要比仿真結果復雜得多。

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

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

環形框架是支撐阻導風板的支架，望遠鏡放置在環形架中心。環形架可根據風向帶動阻導風板旋轉，以使阻導風板面盡量與風向垂直。同時弧形阻風障板也可根據觀測時太陽的高度在環形架上作垂直升降，更有效地起到阻導風的作用。設計一個氣象站實測當前的風向，并從望遠鏡控制系統獲取當前望遠鏡的指向數據。根據這兩組數據，控制計算機控制部件(2)和部件(3)運動，優化阻導風板的指向角度和弧形阻風障板的高度，使風在望遠鏡上的作用力矩最小［8］。

4 阻導風板的實際應用和測試結果

環形阻導風板已于2010年8月在云南天文臺澄江老鷹地作為NVST的附屬設施投入應用(圖5)。當然，NVST的附屬設施不只阻導風板，其它與望遠鏡緊密相關的部件另文介紹。

對阻導風的效果做了實測，以確認阻導風板在實際情況下，板后的風速是否減小。實測方法如下:在阻導風板外側約1.5 m處安置一個風速風向儀;在板背風的后面望遠鏡鏡體附近取5個點，這5個點分布在適當的高度和平面位置上，另一臺與外側設備同一性能規格的風速風向儀順序放置在這5個點上(圖6)，實時采集記錄阻導風板外和阻導風板后面的風速，圖7是5個測點風速的實測記錄。分別比較阻導風板內外風速風向儀同時采集的測量數據，可看出阻導風板的效果。圖中細實線是阻導風板前的風速變化曲線，虛線是阻導風板后風速的變化曲線，它們各自之間的粗實線反映了它們的變化趨勢。從中可以看出，經過阻導風板后，風速有明顯的減弱，而且風速的波動也較之阻導風板前平穩。

表1列出了阻導風板前后各測試位置的平均值和平均值之差，以及阻導風板前后鏡筒所受風力之比。

圖5 安裝完成的阻導風板Fig.5 The installed H－G windscreen

因是同一臺望遠鏡，式中C、A和ρ均相同，β只由平均速度的平方決定。由表中β值可以看出，經過障板之后，風的力量減弱了一個量級以上。

圖6 測風風杯分布Fig.6 Distribution of the wind－cups

表1 實測結果和分析Table 1 The test results and their analysis

圖7 風速實測結果Fig.7 Testing results of wind speeds

5 結論

通過對1 m紅外太陽望遠鏡阻導風板的實測，可以得到如下結論:

(1)經過阻導風板后，風速有明顯的減弱，而且阻導風板后風速的波動也較之板前平穩。

(2)經過阻導風板之后，風的力量減弱了一個量級以上。

(3)1 m紅外太陽望遠鏡阻導風板的設計是成功、有效的，能起到阻風、導風的作用，有效地減少風對望遠鏡的作用，提高了望遠鏡觀測時的穩定性。這樣的阻導風板形式或結構除了應用于天文望遠鏡裸露觀測下的風保護外，也能應用于需要減弱風作用的各種場合。

［1］黃佑然，許敖敖.實測天體物理學 ［M］.北京:科學出版社，1987:354－363.

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［8］宋騰飛.1 m紅外太陽塔圓頂及風障板控制系統設計［D］.昆明:中國科學院云南天文臺，2010.