TMT三镜被动支撑系统的概念设计

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TM T tertiary mirror passive support system conceptual designWang Fuguo，Yang Fei，Zhang Jingxu(Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China)Abstract：TMT fThirty Meter Telescope)was a Ritchey Chr6tien optical-infrared thirty meter telescopewith 3.594 mx2.568 m ellipse flat one and 1 800 kg weight.The tertiary miror system reflected the lightcoming from the secondary mirror (M2S)to the science instruments which mounted on the telescopeNasmyth platforms.It had tracking and slewing functions.Tertiary miror support system included axialsupport system and lateral support system.Based on the mirror surface figure error requirements，thepaper proposed axial support system used 18 point whifl etree structure with surface figure RM S of 1 18.5 nmafter optimum.The surface figure RM S can reach 4.7 nm by the lateral support，and the surface figureRM S was less than 77 nlTl by axial and lateral support.Based on this support program，the miror supportstructure is designed to satisfy weighted and volume requirements。

Key words：TMT； tertiary mirror； support； conceptual design收稿 日期 ：2012-09-11； 修 订 日期 ：2012-10～15基金项目：国家自然科学基金(40905011)作者简介 ：王富国(1979-)，男，副研究员，博士，主要从事大型望远镜支撑设计和仿真方面的研究。Email：wfg###163.corn1272 红外与激光工程 第 42卷侧支撑形式有很多种 ，比较常用的主要有气压(或液压)、杠杆平衡重以及主动光学技术等。气压或液压的侧支撑形式 ，每次拆装需要调节压力 ，重复定位精度差 ，每次观测时需要校正 ，而且气压或液压存在容易泄露的危险，很难满足 TMT望远镜 50年的使用要求。如果采用杠杆平衡重的侧支撑形式 ，则会大大降低系统的谐振频率 ，这对于-个巨大的望远镜来说得不偿失。采用力促动器 的主动光学技术的侧支撑形式同样存在需要校正的问题。因此选择侧支撑方式 ，观测时不需校正 ，不过约束 ，体积小 ，结构简单。文中提出了-种新型的基于kinematiCS原理的侧支撑形式。

任何-个刚体都具有六个 自由度 ：沿三个正交轴的平动和转动，当物体被全约束时 ，所有 的运动都被限制了，如果任何-个 自由度被过约束了，刚体会因为额外的力而变形 ，对于采用被动支撑方法的镜体来说 ，镜体可 以看作-个 刚体 ，采用 kinematic支撑结构 ，其变形只跟热变形和重力变形有关 ，而不会影响到镜面面形。

如果-个刚体在三个或者三组互相成 120。夹角的力的作用下，则可以限制三个 自由度 ，如图 6(a)所示的侧支撑形式可以约束 X轴和Y轴方向的平动 ，以及绕 Z轴的转动。已知底支撑可以约束三个自由度 ，即绕 z轴(光轴)的平动和沿X轴和 Y轴方向的转动，因此底支撑和侧支撑共同作用可以约束六个自由度，既不欠约束也不过约束〖虑到 TMT三镜口径较大，如果仅三点侧支撑则局部应力较大，因此把每组扩展为 4个支撑点 ，每组内4个支撑点通过 whife tree结构加以连接，共同构成 l2点的侧支撑结构 ，可以适应任意方向的重力作用 ，如图 6(b)所示，每组内的力是相互平行的，而每组之间的力成 120。夹角。

(a) (b)图6侧支撑原理图Fig.6 Lateral support pricinple建立三镜的有限元模型 ，分析重力作用下 的镜面面形，假设重力方向沿椭圆长轴方 向，有限元分析的面形结果 PV值等于 63.9nm，RMS值等于 4.3 nm。

重力方向沿椭圆短轴方向 ，有限元分析的面形结果PV值等于 99.5nm，RMS值等于 5.2 nm。由此可见这种侧支撑形式具有优异的支撑性能。图 7为侧支撑效果的变形云图。

图 7 重 力 '措 长 轴 方 向 时 锐 面 z 向 变 彤 五 幽Fig.7 M3 Z direction deformation nephogram with the longaxis gravity通过分析发现 ，对于平面镜来说 ，当侧支撑点位于镜面的中性面 内时 ，侧支撑对面形的影响存在以下特点 ：(1)支撑点的个数对面形影 响不是很大 ，无论是 8个侧支撑点还是 12个支撑点 ，面形值均小于10nm，相对于底支撑的变形熊多；(2)支撑点的位置对面形影响不大 ，无论支撑点呈等弧长分布还是呈等角间距分布 ，面形值几乎相等，因此支撑点位置优化的意义不大 ，支撑点的位置可以更多地从结构的空间要求考虑 ；(3)侧支撑只存在泊松效应 ，这种影响是局部的，只对支撑点附近的面形有影 响，对镜面的中心影响不大 ，而实际上对光学像质贡献最大就是镜面的中心位置处。

提鹊面节点的 z向位移数据 ，并进行归-化处理 ，分析镜面节点变形在空间上的分布，从 图 8可以看 出，当归-化半径小于 0.8时 ，镜面变形值非常小而且集 中，z向变形值均小于 1xl0～rnlTl，只有 当归-化半径大于 0.9时 ，少数镜面节点变形值较大而且离散，z向变形值均小于 5x10～inin▲-步验证了在侧支撑作用下 ，镜面 z向变形值在镜面中心部位较小，变形值集中在镜面边缘的侧支撑处 ，侧支6 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 O O O O O 0 0 0 O 0 0 O 0 0 0 O 0 0 O 0 O O 0 0 0 m 加 、占1 6 1 5 0 5 O 5 1 8 6 3 1 8 6 3 4 4 3 2 1 l 4 - - - - - - - - -第 5期 王富 国等 ：TMT三 镜被 动 支撑 系统 的 概 念设 计 1273撑对面形的影响较校IPV87.8nm ：· RIMS4.23nm。 遗；- ；： 0. ：图8镜面z向位移与等效半径的关系Fig.8 Relationship between the mirror Z-direction deformation withequivalent radius5 底支撑和侧支撑共同作用下的支撑性能望远镜工作时 ，三镜 的工作状态既不是单纯的底支撑作用也是单纯的侧支撑作用 ，而是两者共同作用的效果。当望远镜指向不 同的俯仰角和方位角 ，三镜指 向不同的科学仪器时，通过对望远镜和三镜之间的坐标变换 ，可以解析 出表 l中所示 的三镜几种典型的受力状态 ，在这几种不 同的重力方向作用表 l几种典型工作状态下的镜面面形Tab.1 Mirror surface figure in severalrepresentative conditions下 ，分别 以杆单元和梁单元模拟底支撑和侧支撑，分析镜面在不 同的重力方向下的面形 ，得出表 1所示的面形结果。从分析结果可以看出，望远镜工作时 ，三镜镜面面形值远远优于设计要求 ，证明这种支撑方式是切实可行的 。

6 结构设计TMT三镜 的支撑系统 包括基 于 Whifletree的l8点底 支撑 系统和基于 kinematics原理的 12点侧支撑系统。支撑系统结构必须满足以下条件[9-10]：(1)由于镜室和支撑结构的力学和热变形对三镜面形的影响在满足设计要求的前提下要旧能的小 ，(2)底支撑和侧支撑必须独立作用 ，互不干涉。这就要求底支撑和侧支撑在特定 的方向上具有-定 的柔性 ，底支撑结构只限制三镜在镜面方向(z轴)的平动 ，以及绕 轴和 Y轴的转动 ，侧支撑只限制另两个方向轴和 Y轴)的平动 ，以及绕 Z轴的转动。(3)质量要求小于 4.5 (含三镜)，体积小于 .5m，(4)结构简单 ，便于拆卸和维修 ，可操作性强，抗震性能好 。

基于上述分析结果和设计要求设计 了如图 9所图 9三镜支撑系统Fig.9 M3 suppo system示的三镜支撑系统 ，该支撑系统具有以下特点 ：(1)三镜的镜室不是传统意义上的结构形式 ，而仅仅是-个大的三角形 ，大大减小 了支撑系统的质量 ，有效地解决了质量的要求 ；(2)底支撑结构是通过直径很小的细杆把三镜和镜室连接在-起 ，侧支撑结构在垂直于镜面的方向上具有-定的柔性 ，而在另外两个方向上具有刚性 ，通过这种设计 ，可以有效地解决底支撑和侧支撑作用时互相干涉的问题 ；(3)三镜 回转部分 的接 口不是位于短轴方向，而是位于三镜镜室1274 红外与激 光工程 第 42卷的背面 ，通过-个镜室背部的托架连接到三镜跟踪架的回转轴上 ，有效解决了支撑结构在三镜短轴方向的占空 比，缩小了体积。

7 结 论TMT三镜是-个 4 m量级的反射镜 ，而且具有跟踪和指向功能，这在-般望远镜 中是不多见的，其安装 、维修和工作时都有-般望远镜三镜所不具有的特点♂合这些特殊的要求 ，从底支撑和侧支撑方案人手 ，着重研究了镜面的支撑方式 ，以及在这些支撑方式下的镜面变形 ，分析结果表明 ，底支撑和侧支撑方案切实可行 。根据支撑方案和-些其他的要求 ，设计 了三镜的支撑系统。