LAMOST反射施密特改正镜新型镜罩设计

周国华，王 海，杨德华

(中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，江苏 南京 210042；中国科学院天文光学技术重点实验室，江苏 南京 210042)

天文望远镜的镜面是望远镜核心关键部件，一般均设置有镜罩或镜盖进行安全保护。对于主镜尺寸较小的传统望远镜，镜罩实现方式有多种，如我国兴隆2.16m望远镜采用了转动双开门形式的两个半圆形薄板构成简易实用的镜盖[1]；盱眙1.2m近地天体探测望远镜采用了花瓣展开式多片薄板构成镜盖[2]，英国4.2m WHT望远镜也采用了类似的镜盖方案[3]；德国正在研制的2.5m太阳望远镜采用了简易的布帘镜罩[4]。具有更大口径主镜的望远镜一般很难采用上述形式的镜罩方案，而是多采用将望远镜转至水平安全指向避免意外损害。事实上，目前国际上的大口径天文望远镜一般不再设置镜罩。

大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)的反射施密特改正镜(图1)由24块正六边形子镜拼接而成，呈长六边形形状，南北长5.72m，东西长4.40m[5]；其高度角跟踪范围为32.3°～90°，并要求高度回转范围为0°～90°。在不进行天文观测时镜面是水平朝上放置的，而观测时是圆顶往两侧拉开，采用开放式观测，风的影响显著。虽然有圆顶保护，但对灰尘和异物的防护，仅靠圆顶是不够的，需要考虑设置镜罩来加强对镜面的保护。反射施密特改正镜尺寸较大，外形又非圆形，一般常规的镜盖方案会带来机构复杂、迎风面积大、对回避挡光及空间结构干涉等问题也存在很大困难[6]。

针对LAMOST反射施密特改正镜的特殊情况和要求，进行了多种镜罩方案的研究和设计，并进行了样机设计和实验，经测试比较，最终选定新型轻质帘式镜罩方案。该镜罩满足技术和实用要求，已投入正常使用。本文对以上工作进行系统回顾，特别对此新型轻质帘式镜罩方案的研究和设计进行详细介绍。

1 LAMOST反射施密特改正镜镜罩功能要求

天文望远镜镜罩基本功能要求是可阻挡异物保护镜面，且望远镜工作时不挡光，不影响观测。LAMOST反射施密特改正镜的结构如图1，其特殊结构形式给镜罩设计提出了特殊功能要求[7]：(1)镜罩关闭后可防灰、挡冰雪、挡跌落的异物；(2)镜罩本身不允许对镜面安全产生威胁，不允许引起灰尘或异物跌落；(3)镜罩开启后不挡入射光线；(4)在要求的高度转角范围内必须避免空间结构干涉；(5)所有运动均采用自动控制；(6)安全可靠，外形美观等要求。

2 镜罩方案遴选

通过研究反射施密特改正镜的镜面尺寸、外形、镜面支撑桁架以及其它部件的空间结构特点，为避免运动结构部件的干涉，不影响正常跟踪观测，先后研究和试制了以下几种镜罩方案：

(1)半球式镜罩方案

利用镜面支撑桁架两侧耳轴箱体作基础，安装镜罩驱动机构。镜罩整体关闭时呈半球状，由对称的两半罩体组成，可分别向两边关闭。罩体由骨杆和蒙布构成，骨杆沿经向分布，蒙布罩于骨杆上，从而通过驱动骨杆的旋转来开启或关闭镜罩。另外，还需在镜面的长度方向两端设置镜罩支撑机构。此方案外观协调，但由于镜罩为圆形的，高度较高，其中间接缝不易保证密实可靠。图2为制作的1∶5的半球式镜罩模型。

图1 LAMOST反射施密特改正镜CAD模型Fig.1 A CAD-generated illustration of the Schmidt plate of the LAMOST

图2 半球式方案的1∶5模型镜罩Fig.2 A mode of Hemisphereical cover of the Schmidt plate at a scale of 1∶5

(2)推拉翻转式方案

如图3，在镜面两侧各设置3片平板,逐渐推拉展开即形成镜罩；打开工作时则逐渐收缩，然后翻转立于耳轴箱体旁。为对该平板实现稳定可靠的支撑，又在长度方向设置了4块能翻动的支撑板。图4为试制的可推拉的3层平板框架。此方案结构复杂，运动控制也复杂，质量较重。

图3 推拉翻转式镜罩的方案图Fig.3 Design of push-pull-and-rotary cover of the Schmidt plate

图4 可推拉伸缩的3层平板框架Fig.4 Three-layer sliding frame for the cover

(3)轻质帘式方案

在前两种镜罩方案设计和实验的基础上，结合二者的优点，并力求使镜罩机构在镜面上方没有太重的构件，提出了一种轻质帘式的新型镜罩设计方案。如果5，在镜面两侧从支撑桁架上飞架两根平行的弯曲C形开口轨道，由多根绳线来支撑和控制布质罩体的开启和关闭；开启后布质罩体挤缩在一端延长的导轨上；为避免结构干涉，在导轨的另一端设置了可转动弯折的推拉机构。

图5 轻质帘式镜罩结构图(左：侧视图，右：俯视图)Fig.5 Lightweighted curtain-style cover of the Schmidt plate(Left:side view；Right:Top view)

(4)方案比较和确定

表1 3种镜罩方案的优缺点比较Table 1 Comparison of the three types of covers

3 轻质帘式镜罩设计

根据以上方案设计和比较，选用轻质帘式方案作为LAMOST反射施密特改正镜镜罩的设计方案。下面对其设计进行详述。

根据LAMOST反射施密特改正镜的运动和结构特点，在镜面支撑桁架两侧耳轴之上飞架两根平行的弯曲C形开口方管，作为滑块轨道；轨道最大限度地贴近镜面，以便不挡观测入射光；轨道侧视外形与桁架的半球形外形相呼应，两端稍稍向下弯曲。见图5，轨道内各有25块滑块，同一根轨道内的25块滑块沿轨道方向用钢丝绳相联成串，而仅右侧第一个滑块与钢丝绳固定，其余滑块均可在此钢丝绳上滑动；相邻两滑块之间由一根300mm长的柔性线相连，以保证镜罩展开时滑块之间的间距均为300mm，如图6，两根轨道内的对应滑块则有弹性柔性线相互连接，从而构成被拉平的横跨镜面上方25根镜罩布的支撑绳线。

轨道末端各联接一只步进电机驱动箱，共4只。轨道跟随桁架一起跟踪转动，镜罩开启时，将由电机拖动滑块使镜罩布挤缩在左端(图5)，不会遮挡入射光；被挤缩在一起的镜罩布的顶面(积灰面)和内面始终不会交叉接触，从而防止顶面上的积灰或异物掉落到镜面上。步进电机及绕线机构如图7，步进电机通过减速齿轮带动绕线轮旋转，圆柱形绕线轮上带有螺纹槽，并在绕线轮直径方向设置了两只押线轮[8]，从而确保钢丝绳有序地卷绕在绕线轮上。

另外，如图1和图5，为避免轨道与叉臂支撑的干涉，轨道右端设置了推拉机构，使轨道末段部分可向内折叠收缩。

图6 轨道、滑块和绳线之间的连接关系Fig.6 Connections between the tracks, sliders，and strings

图7 步进电机驱动箱机构Fig.7 Mechanisms of the stepping motorand drive box

3.1 工作过程

见图5，当轨道左侧两只步进电机同步卷收钢丝绳时，在轨道右端，固定在钢丝绳末端的第一个滑块将推动其余滑块在轨道内集体往左滑动，这样，镜罩被打开；反之，当轨道右侧的两只步进电机同步卷收钢丝绳时，随着右端的第一滑块在轨道内的往左滑动，其余滑块逐渐被拉出，等间距地(300mm)排列在轨道上，这样，镜罩被合上。需要说明的是，4只步进电机同步工作，即当左侧两只步进电机收线时，右侧两只放线，反之亦然；绕线量和放线量保持相同。

3.2 轨道推拉折叠机构设计

LAMOST反射施密特改正镜高度角跟踪范围为32.3°～90°，但也要求镜面可转至竖直位置。由上所述，轻质帘式镜罩呈矩形，因此，根据机架叉臂的结构状况，轨道右侧末段必须能折叠收缩，避免与叉臂支撑发生干涉，才能允许镜面转至竖直状态。为此，两根轨道右侧各设置了一套电动推拉机构，使轨道右侧末段可向内折叠。采用了商品化的电动开窗器作为推拉机构，图8为轨道被推至正常伸直状态。

图8 轨道推拉折叠机构Fig.8 Folding mechanism for the rail

图9 镜罩全貌Fig.9 Overview of the cover of the Schmidt plate

3.3 镜罩布的选用和设计

镜罩布应选择纹理致密不易透灰尘的高强度轻质布料，经调研比较，降落伞布正好具有这些特性，满足作为镜罩布的要求。

整个镜罩共由3块布帘组成，顶面为一整块，镜面两侧各悬挂一块长条状帘布；顶面与侧面帘布之间采用尼龙搭扣相联，构成“门”字形轻型罩体将镜面罩住。采用搭扣方式连接，便于装拆，如清洗时拆装。图9为安装在现场的镜罩全貌，图10为镜罩正在开启的状态。

3.4 镜罩的电控设计

图10 镜罩正在开启中的状态Fig.10 The cover being opened

镜罩开合动作由4只电机同时工作，每根轨道两端各安装一只电机，工作中一收一放，需要进行同步控制。系统工作的特点是：同步精度要求高，速度和定位要求一般。采用步进电机驱动，采用编码器作为检测元件检测滑块钢丝绳的牵引距离，并用接近开关检测滑块是否到位。轨道推拉折叠机构则只有定位要求，控制简单。采用两只商品化的开窗器作为执行器件，由力矩电机驱动，采用继电器控制电机通断电，行程开关来控制行程。

图11 镜罩电控系统框图Fig.11 Block diagram of the electronic control system of the cover of the Schmidt plate

从整架望远镜系统总体考虑，镜罩是望远镜的一部分，镜罩能否正常开合还应与望远镜观测过程特别是高度角结合考虑，因此镜罩控制应和望远镜机架控制结合起来，为此，采用了同一计算机和控制器，在望远镜机架控制系统软件上增加了相应控制模块，这样有利于简化系统，增加可靠性，降低成本。控制系统框图如图11。

4 现场安装调试

LAMOST反射施密特改正镜罩是在镜面全部安装完成后安排设计的，因此设计中必须充分考虑镜罩零部件的长途运输和镜罩在现场的安装及调试的便利性。由于镜罩体积大，结构设计得轻巧单薄，而安装和保护对象却是精密易损的望远镜镜面，因此，设计中力图考虑全面周到，采用简单可靠的安装工艺，以利于现场安装和调试工作的顺利完成。因为无法在加工地点进行全面安装调试，这对传动和控制系统的设计要求更为严格，因此，采用“细致设计、配备备件”的策略，尽量减少现场装调中出现未预料到的问题。尽管如此，镜罩初装时，电机动力尚显不足，牵引滑块的绳线弹性偏大，试运行一周中偶有故障发生，经换为弹性模量更大的钢丝绳，细化改进了电机的同步控制程序等措施后，排除了所有故障，并最后将镜罩的控制系统集成到望远镜整体观测控制系统中。镜罩现场实物如图8～10所示，经半年来的运行考验,本镜罩的设计取得了满意的效果。

5 结 论

本文针对LAMOST反射施密特改正镜的特殊情况和要求，通过对多种镜罩方案的研究设计和样机比较，选定了新型轻质帘式镜罩方案。此镜罩已在LAMOST望远镜现场成功运行半年，安全可靠性得到了确认。该新型轻质帘式镜罩方案克服了在大跨度的LAMOST反射施密特改正镜上设置镜罩的困难，满足了镜罩设计技术要求，且具有外形美观实用，机械结构简单及运行安全可靠等特点。由于该镜罩外形为长方形，而镜面为长六边形，二者外形不尽吻合，从而存在不能遮挡由四角飘入的灰尘的缺点。幸运的是，镜面朝天放置时，由底面四角飘进的灰尘量相对较少。总之，这种由布与绳结合的新型轻质镜罩方案为未来更大尺寸天文望远镜的镜罩设计提供了成功的借鉴思路和实践经验。

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