4msic轻量化主镜的热控系统设计研究

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1、Researchonthermalcontrolsystemof4mSiClightweightprimarymirrorByLiuXiang-yiADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofScienceEngineeringChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyo

2、fSciencesApril,2015摘要4mSiC轻量化主镜的热控系统设计研究刘祥意(机械制造及自动化)导师：张景旭研究员摘要热问题贯穿了望远镜设计的各个方面，而且随着望远镜口径的增大，温度对望远镜的工作性能和稳定性的影响也越来越明显。对4m级及以上的望远镜，望远镜的主镜热控系统是必不可少的一部分。本文以4m望远镜的4mSiC轻量化主镜的系统为研究对象，从主镜热控必要性、热控指标的确定、热控系统的方案和结构设计等多方面进行了研究。本文首先简扼介绍了4m望远镜系统的组成，采用有限元的分析方法，对SiC主镜与Zerodur主镜全天时工作下的热稳定性

3、做了对比分析，说明了SiC主镜优势和热控的必要性，然后通过2mSiC轻量化主镜的仿真和实验进一步说明了热控系统的必要性；利用Zernike多项式正交且完全性，建立主镜温度场分布的数学模型，计算主镜在不同温度场下的热变形及其产生的像差形式，根据主动光学校正主镜热变形的能力提出了主镜热控系统的温度梯度热控指标，即主镜的上下表面的温度差和主镜径向温度差控制在0.2K以内，主镜的横向温度差控制在0.5K以内；从气动光学的角度分析了镜面上的湍流对主镜视宁度大小的影响，确定了主镜镜面温度与周围环境温差的热控指标，空气和主镜镜面的温差应控制在-1K~0.5K；

4、根据热控系统的指标要求，设计了由主镜背部吹风系统和主镜镜面吹风系统组成主镜热控系统，并对热控系统的热控形式，方案和结构进行了优化设计，提出了较详细的系统工作模式和控制方案；最后根据4m望远镜系统的热控方案，设计了1.23m口径的4mSiC主镜的缩比镜的主镜I中国科学院大学博士学位论文：4mSiC轻量化主镜的热控系统设计研究背部热控实验，通过实验结果的分析，验证了热控方案的可行性。本文对4mSiC轻量化主镜的望远镜主镜热控系统进行较详细的研究和设计。利用热控的缩比实验验证热控方案的可行性的同时，对4m主镜热控系统的工程实施进行了初步的探索，积累了相

5、应的工程经验，对将来4m望远镜主镜热控方案最终的确定和实施具有很高的参考价值。关键词：热控；主镜视宁度；温度梯度；有限元分析；IIAbstractResearchonthethermalcontrolsystemof4mSiClightweightprimarymirrorLiuXiang-yi(MechanicalManufactureandAutomation)DirectedbyProf.ZhangJing-xuAbstractThermalissuesareconcernedinallaspectsofthedesignofthelarg

6、eground-basedtelescope.Theeffectoftemperatureonthetelescope'sperformanceandstabilityhasbecomeincreasinglyevidentwiththeincreaseofthetelescopeaperture.Fora4mtelescopeorabove,theprimarymirrorthermalcontrolsystemhasbecomeanessentialpart.Inthispaper,basedonthe4mSiClightweightprim

7、arymirrorsystemofthetelescope,thenecessity,thetarget,theprogramandthestructuredesignofmirrorthermalcontrolsystemisstudied.Firstly,thecompositionof4mtelescopeisintroduced.ThethermalstabilityoftheprimarymirrormadeofSiCorZerodurisanalyzedwiththemethodofthefiniteelement,whenthete

8、lescopeisrunningonthewholeday.TheadvantagesofSiCprimarymirrorandthen