首臺南極巡天望遠鏡的現(xiàn)場裝調(diào)

張毅

（1、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 2、中國科學院天文光學技術重點實驗室（南京天文光學技術研究所），江蘇南京 210042）

由于具有特殊的自然條件和重要的戰(zhàn)略地位，南極大陸一直是世界各國科研考察的重地，而Dome A 位于南極內(nèi)陸冰蓋的最高點，是世界上最好的天文望遠鏡觀測點之一。南極現(xiàn)場嚴酷的自然環(huán)境、緊張的工作時間以及人力的缺乏都限制了高精度儀器在Dome A 的正常安裝和調(diào)試工作，如何高效同時又保證精度，AST3 的現(xiàn)場裝調(diào)工作經(jīng)驗具有非常重要的意義。

南極巡天望遠鏡(AST3)是赤道式望遠鏡，其原理是，望遠鏡筒繞著與地軸平行的軸線，按地球自轉(zhuǎn)的反方向旋轉(zhuǎn)，以抵消地球自轉(zhuǎn)。南極巡天望遠鏡是由三臺有效通光口徑500mm，主鏡為680mm 的望遠鏡組成，配置了目前國際上最大的單芯片10K ×10K 的CCD 相機。其中第一臺望遠鏡（AST3-1）于2012年1 月22 日在4 位天文科考隊員的協(xié)同努力下成功安裝在Dome A（圖1）。

圖1 望遠鏡外觀圖

1 南極巡天望遠鏡現(xiàn)場裝調(diào)的難度

1.1 南極運輸距離遠，時間長，現(xiàn)場裝調(diào)條件惡劣，工作時間短

從中山站前往Dome A 的近二十天里，由于堅冰使得雪撬顛簸異常，致使一噸多重的機架底座下部的液壓減振器被震壞，機架發(fā)生滑移，為此被迫在路上停留一天，重新更換機架的減振墊，再次固定機架。

Dome A 海拔高達4000 多米，含氧量相當于高原的5000米左右，缺氧造成失眠、頭痛、呼吸困難等高原反應，使得人員動作遲緩，反應能力下降，在不到二十天的時間內(nèi)需要完成望遠鏡的安裝調(diào)試工作，時間緊，人員精神壓力大；1 月份氣溫在零下30 到40 度左右，高寒使得人員需要穿著厚重的工作服和工作鞋，佩戴棉帽、面罩、手套和墨鏡等防護用品，在某些特殊工作狀態(tài)，例如空間狹小安裝困難時，就需要將厚手套取下進行操作，多處皮膚與金屬接觸而造成凍傷。

1.2 裝調(diào)望遠鏡的方法特殊，對運行、裝調(diào)的可靠性要求高

裝調(diào)赤道式望遠鏡最重要的步驟就是調(diào)極軸，而裝調(diào)望遠鏡現(xiàn)場正處在南極極晝中，無法采用對星的方法對望遠鏡進行極軸調(diào)整，極軸的調(diào)整精度會影響望遠鏡的指向和跟蹤情況，對于大視場望遠鏡的影響主要體現(xiàn)在跟蹤上，長時間的曝光周期，跟蹤不穩(wěn)定會導致像斑的彌散，降低望遠鏡的成像質(zhì)量，要保證極軸指向南天極，使得南極巡天望遠鏡達到設計要求，現(xiàn)場的光機電裝調(diào)以及極軸調(diào)整的方法是運行可靠性的保證。

高海拔、高寒使得Dome A 成為無人區(qū)，望遠鏡采用無人值守遠程遙控的工作方式，裝調(diào)完成后一旦出現(xiàn)機械故障將可能無法即時解決，為此，在國內(nèi)裝配調(diào)試時，配合面多采用定位銷或定位臺階面的方式對部件進行定位處理，以便于在現(xiàn)場快速、可靠的定位安裝；在某些關鍵的部位，安裝十字分劃板，例如在主鏡室中心孔位置安裝分劃板，在國內(nèi)裝調(diào)好分劃板的位置并固定，與主鏡室一起裝箱運輸，現(xiàn)場安裝好就能保證與國內(nèi)裝調(diào)的精度相同；為了保證完好的將在國內(nèi)裝調(diào)好的光學部件運輸?shù)侥蠘O，采用了大塊的、特定形狀的泡沫作為光學部件與包裝箱內(nèi)的減振，同時在包裝箱底部安裝了液壓減振器，使用繩索與集裝箱固定的方式，保證了光學部件運輸?shù)目煽啃裕瑴p少了現(xiàn)場光學、機械的調(diào)整時間。因此，裝調(diào)的可靠性很大部分起決于在國內(nèi)的裝調(diào)精度和運輸過程的可靠性，如果在現(xiàn)場再進行大量的光學、機械調(diào)整工作，將使得按時完成望遠鏡的裝調(diào)變得非常困難。

2 裝調(diào)方法

2.1 平整場地，標定平臺架南北線

使用雪地車反復碾壓場地2-3 小時，將安裝位置的冰雪壓實，在場地中央使用太陽投影法標定南北線，南北線用鐵釘栓線的方法固定在雪地上。鋪裝木板，將平臺架安放于木板上，并根據(jù)南北線的調(diào)整平臺架的位置，使得平臺架的中心線與南北線基本平行。粗調(diào)平臺架的水平，低的方向使用冰雪重新墊高塞實。

2.2 拆箱吊裝、裝配望遠鏡鏡筒

拆箱檢查望遠鏡機架、主鏡等，將主鏡室和副鏡室組裝到位，鏡筒配平衡后整體吊裝于1.5m 高的平臺架上面，并使得望遠鏡底座中心線與平臺架中心線初步吻合，由于平臺架上安放了一噸多重望遠鏡，使得平臺架的水平產(chǎn)生變化，因此需重新調(diào)整平臺架上底板的水平，通過調(diào)整平臺架與底板之間的調(diào)節(jié)螺釘實現(xiàn)水平粗調(diào)。上電測試望遠鏡電氣控制狀態(tài)為裝調(diào)做準備。

2.3 裝調(diào)望遠鏡機架東西方向水平

使用水平儀，通過調(diào)整望遠鏡底座上的墊鐵高度粗調(diào)機架東西方向水平。在望遠鏡東邊架設測微準直望遠鏡，校正測微準直望遠鏡水平，瞄準望遠鏡赤緯軸孔分劃十字線，然后旋轉(zhuǎn)赤經(jīng)軸180 度，再瞄同一分劃十字絲，如果有偏差，按需要旋轉(zhuǎn)赤經(jīng)或調(diào)整測微準直望遠鏡的方位、高度，重復以上步驟至赤緯軸與測微準直望遠鏡同軸，即望遠鏡東西方向水平（圖2）。

圖2 裝調(diào)機架東西方向水平

2.4 光學檢查望遠鏡光軸

2.4.1 測微準直望遠鏡光軸與赤緯軸軸線垂直

在距望遠鏡鏡筒前端約50cm-100cm 處架設測微準直望遠鏡，使用電控鎖定赤經(jīng)軸，用微準直望遠鏡穿主鏡中孔分劃板（十字絲），翻轉(zhuǎn)赤緯軸180 度，調(diào)焦再穿主鏡中心十字絲，如果有偏差，則調(diào)整微準直望遠鏡方位和平移，反復多次，保證準直鏡穿主鏡中孔十字絲無偏，即校正測微準直望遠鏡光軸與赤緯軸軸線垂直。如圖3 所示。

圖3 準直鏡光軸與赤緯軸垂直并檢查主鏡反射像

2.4.2 測微準直望遠鏡檢測主鏡反射像

測微準直望遠鏡鏡頭前繃十字絲，用測微準直望遠鏡調(diào)焦找該十字絲通過主鏡的反射像，如果反射像偏離中心，則調(diào)節(jié)主鏡室后部支撐使得主鏡產(chǎn)生不同程度的傾斜，使得十字絲的反射像居于測微準直望遠鏡中心。在調(diào)整后，主鏡室分劃板十字絲與測微準直望遠鏡中心可能產(chǎn)生誤差，重復步驟2.4.1，反復檢查準直鏡光軸與赤緯軸垂直度，直至反射像、主鏡室分劃板十字絲與準直鏡同軸。

2.4.3 測微準直望遠鏡穿軸線，并檢查改正鏡與改正板的反射像

在十葉架（焦面）中孔位置安裝分劃十字絲，用微準直望遠鏡分別穿主鏡室十字絲和焦面十字絲，翻轉(zhuǎn)赤緯軸180 度檢查，如果焦面十字絲有偏差，則平移十葉架，反復多次后，兩個十字絲與準直鏡同軸。如圖4 所示。

圖4 準直鏡光軸穿機械軸線

拆下焦面分劃十字絲，安裝改正鏡，檢測準直鏡前的十字絲在改正鏡上的反射像，調(diào)整改正鏡傾斜使反射像居中。調(diào)整改正鏡傾斜有兩種方法：當調(diào)整量較大時，則松開十葉架中筒與葉片的緊固螺釘，調(diào)節(jié)中筒傾斜到位后再擰緊，在前期國內(nèi)調(diào)試時即用此方法；當調(diào)整量較小時，在改正鏡與中筒聯(lián)接的法蘭上作螺紋孔，用螺釘頂壓法蘭面的方法緊固改正鏡，并使其產(chǎn)生微量傾斜。安裝改正板，檢查十字絲反射像居中；完成后，即鏡筒光軸與機械軸線同軸（圖5）。

圖5 檢查改正鏡、改正板反射像

2.5 標定赤經(jīng)零位

2.5.1 準備工作

在望遠鏡后部的能源倉（外觀類似集裝箱）的頂部使用太陽投影法，在太陽中天時作正南正北線，劃線的位置應盡量與望遠鏡鏡筒軸線投影面靠近。拆下改正板、改正鏡，裝上焦面分劃板（十字絲），將鏡筒重新配平衡，測微準直望遠鏡更換為經(jīng)緯儀，經(jīng)緯儀放在測微準直望遠鏡支架上并使用壓板壓住經(jīng)緯儀底座，可方便調(diào)節(jié)經(jīng)緯儀平移和高度。

2.5.2 穿光軸，光軸引線，標定赤經(jīng)零位。

調(diào)整經(jīng)緯儀穿焦面十字絲和主鏡室十字絲，但還是不能方便的與正南正北線比較，因此在現(xiàn)場想了一個辦法，鎖定經(jīng)緯儀的方位，將經(jīng)緯儀的光軸掃至機架中心位置，引出光軸的投影，在望遠鏡機架中間位置用劃針鋼尺刻線，即機架上的刻線與鏡筒光軸共面（圖6-7）。

圖6 刻光軸投影線

重新調(diào)整經(jīng)緯儀位置，使得經(jīng)緯儀與正南正北線共面，在機架上使用鋼尺，比較刻線和正南正北線的讀數(shù)，微調(diào)望遠鏡機架底座方位使光軸刻線與正南正北線平行，即方位為南北向，電控程序標注赤經(jīng)零位。

圖7 調(diào)整底座方位，標定赤經(jīng)零位

2.6 調(diào)極軸

鏡筒指向南，在赤緯軸碼盤端繃十字絲，方位旋轉(zhuǎn)90 度，用經(jīng)緯儀調(diào)正十字絲回轉(zhuǎn)中心，如圖8 所示，調(diào)整經(jīng)緯儀水平，設定仰角讀數(shù)為9°35′，試穿赤緯軸孔兩端十字絲，如果方位不重合，則調(diào)整經(jīng)緯儀方位與平移；高度不重合初調(diào)：調(diào)整望遠鏡南端墊鐵高度，調(diào)整經(jīng)緯儀底座高度。

圖8 調(diào)極軸

用經(jīng)緯儀穿赤緯軸電機端軸孔分劃板中心，赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)180度，再穿同一個分劃板中心，高度不重合：調(diào)整望遠鏡底座南端墊鐵和經(jīng)緯儀高度重合，此時望遠鏡極軸指向南天極，極軸與南北向的水平線夾角等于望遠鏡安裝地點的緯度80°25′。

2.7 標定赤緯零位

轉(zhuǎn)回赤經(jīng)零位，使用經(jīng)緯儀精調(diào)水平，調(diào)整經(jīng)緯儀仰角為9°35',轉(zhuǎn)動赤緯軸的鏡筒，使經(jīng)緯儀光軸穿過鏡筒光軸，這時鏡筒光軸平行于天赤道，當前位置標記程序為赤緯零點，如圖9 所示。

圖9 標定赤緯零位

2.8 安裝部件，結(jié)束裝調(diào)，最終測試望遠鏡

安裝改正鏡、CCD 相機、改正板、上下鏡筒罩等，調(diào)整鏡筒的前后平衡，完成鏡筒的密封，檢查所有部件的安裝；測試望遠鏡定位、跟蹤、手動控制和自動控制等其它電氣控制項目。

3 結(jié)論

南極巡天望遠鏡在一定程度上可以說是南極大視場高分辨望遠鏡的探路者，總結(jié)南極巡天望遠鏡的工作經(jīng)驗對于后續(xù)大口徑大視場望遠鏡現(xiàn)場工作有重要的借鑒意義。在首臺南極巡天望遠鏡的工作基礎上，論文討論了在南極惡劣環(huán)境下裝調(diào)的方法，通過旋轉(zhuǎn)光軸精調(diào)極軸提高南極望遠鏡的使用性能；而運輸、裝調(diào)過程中出現(xiàn)的問題，在為下一臺望遠鏡設計制造等方面提供了寶貴的經(jīng)驗。