地基大口径望远镜主镜热控的设计原则及方式

刘祥意，张景旭，吴小霞，李剑锋，矫 威，王德廷

(1．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033;2．中国科学院大学，北京100049;3．吉林省工商学院，吉林 长春130507)4．天津航天长征火箭制造有限公司，天津300000)

1 引言

天文学家曾一度认为大气视宁度限制了大口径望远镜的精度，而随着科学技术的发展，人们发现由圆顶以及望远镜本身造成的局部视宁度对大口径望远镜精度的影响不亚于大气视宁度的影响［1］。主镜视宁度是局部视宁度中尤为受关注的一种。由于地基望远镜对自然观测条件要求很高，因此观测站址往往建立在海拔比较高、大气视宁度比较好的高原或者高山地区［2］。这些地方昼夜温差比较大，尤其是晨昏线附近的几个小时环境温度变化尤为明显。当环境温度变化较快时，主镜的温度就会由较高的热惯性导致温度高于环境温度，如果主镜的温度与环境的温度差较大，望远镜的图像质量就是严重下降［3］。造成望远镜图像质量下降的原因主要有两个:一方面是主镜视宁度的影响，因为镜子与周围空气没有达到热平衡，镜子与周围的空气直接发生热传递，导致主镜光学表面的空气层出现温度和密度梯度，使空气折射率发生变化，出现波前畸变，图像质量下降;另一方面是镜子的光学表面和下表面的温度下降速率不同是镜子的内部出现较大的温度梯度，镜子本身不一致的热变形导致的主镜的变形影响了主镜的光学性能。

随着地基望远镜口径不断地增大，望远镜主镜的热惯性随着质量的增加而不断增大，主镜温度滞后与环境温度越发明显，主镜温度梯度的增加也越发明显。所以为了得到较好的图像质量，如何控制好主镜视宁度，保证较小镜子温度梯度也显得愈发的重要。因此主镜热控是地基大口径望远镜热控系统中的关键环节，对提高望远镜的成像质量起着至关重要的作用。

然而国内对大口径望远镜的热控研究还不是很成熟，主要集中在空间望远镜热效应分析和隔热研究方面［4－5］，对于地基望远镜仅局限于对主镜或支撑结构进行了简单的热分析，没有提出包括望远镜以及其附属设备在内的全系统的主动或被动热控措施［6－7］。所以本文结合国外大口径望远镜，对望远镜的主镜热控系统的设计原则及方法进行了详细探讨。

2 主镜热控的设计原则

由于光学系统对温度的敏感性，热问题贯穿了望远镜设计的各个方面。对于望远镜系统而言，热控系统的宗旨是使关键系统的温度控制在设计范围并使观测站址的科学性能最大化。具体原则如下:保持光学及支撑结构的温度在其设计范围;保持靠近光路系统尤其主镜系统的温度接近环境温度，使地基望远镜的视宁度最小化;保持科学设备及探测器适当的工作温度;对红外系统要求设备背景辐射的影响最小化［8］。

而对于望远镜主镜热控而言，是在以上原则基础上，保证望远镜温度梯度在要求的变化范围内，使主镜的温度快速地与外界环境的温度与温度变化一致。其强调的是主镜温度快速而准确的跟踪环境温度。

由于不同望远镜对主镜视宁度的要求不同，所在站址的自然环境不同，口径大小不同，不同望远镜对主镜热控系统的温度控制指标要求不同。表1为LSST主镜热控系统的温度控制指标要求［9－11］。该表给出了主镜与环境温度和主镜自身温度差异的最大与最小的极限值，其中ΔTaf，ΔTbf的两个温度值最能反映整个温控系统的工作性能。由Zago［12］得到的主镜视宁度与温度差的经验关系式(1)可知，主镜视宁度的大小主要由主镜光学表面温度与周围空气的温度差ΔTaf的大小决定，ΔTaf越小，主镜视宁度越好;主镜的热变形的大小主要由镜子的上下表面的温度差ΔTbf的大小决定，ΔTbf越小，主镜的热变形越小。

其中，θfwhm为主镜视宁度。

其中，T为主镜反射面周围的空气温度(K);ΔTaf为主镜反射面周围的空气温度与主镜反射面温度之差(K);V为风速(m/s);g为重力加速度(m/s2);D为镜子的直径(m)。

表1 LSST主镜热控系统的温度控制指标要求

为了避免主镜视宁度对望远镜成像质量的影响，望远镜的主镜反射面温度要尽可能的快速跟踪周围空气的温度，但由于望远镜主镜具有较大的热惯性，很难克服主镜温度变化的滞后性，但可以通过以下方式尽可能的降低望远镜的时间滞后性［13］:

(1)减小望远镜主镜的厚度，这样不仅可以减小时间的滞后性，而且能够提高温度分布的一致性，但会增加支撑系统的支撑难度。

(2)接触式的冷却板冷却，相当于直接在镜子内部直接加冷却回路，虽然这样可以极大的提高主镜的冷却速率，减少主镜温度的滞后性，但这样有可能带来附加的镜面变形。

(3)预冷控制，在望远镜工作打开圆顶前，通过环境温度的测量和预测，使用空调系统对望远镜的温度进行预冷控制。

理想的主镜冷却系统应满足以下几点:

(1)响应快，使主镜光学表面温度快速地与环境温度保持一致;

(2)简单可靠，便于维护;

(3)具有较高的冷却效率和能源利用率;

(4)低sub－cooling，即主镜冷却系统中温度的最低点与环境温度之间尽可能的少，使镜室及周围的结构的热变形最小化。

3 望远镜主镜热控设计

望远镜的热控方法主要有被动热控和主动热控两种［2］。被动热控方法主要有:涂镀、隔热、散热(控制外部热量输入或废热积存)。主动热控方法主要有:热管加热、辐射换热、强制通风及冷却剂制冷。望远镜的主镜热控采用的是主动热控的方式，其冷却系统一般包括三个热交换过程。第一个热交换过程是主镜通过对流换热或者辐射换热的形式将热量传递给冷却空气或者冷却板;第二个热交换过程是把主镜传递过来的热量交换到热交换器中的冷却液中;第三个热交换过程是由热交换器中的冷却液将热量排到远离望远镜的下风口。望远镜主镜热控系统中的冷却系统的设计关键是第一个热交换过程的设计，根据热交换方式，可以将冷却方式分成以下几种。

3．1 冷却板的辐射换热

这种冷却方式是在镜室内部镜子的下表面放置低温平板，如图1所示。主镜的热量主要以辐射换热的形式由镜子的下表面传递给冷却板，然后冷却板通过内部冷却管路中的冷却液将热量带走。

图1 主镜背部冷却板的辐射换热冷却简图Fig．1 Backside cooling by radiation to a cold plate

口径为8．1 m弯月镜的双子星望远镜就采用了类似的热控系统［1］，如图2所示。镜子背部的冷却板的温度比镜子的温度低15℃时，最大的传热功率可达3 kW。冷却板的辐射换热能够实现对镜子温度的缓慢控制，在冷却板全功率工作时，主镜反射面的温度发生变化时大概需要2 h。所以为了增加望远镜夜间有效的观测时间，望远镜的温度需要通过圆顶内空调系统提前控制。

图2 双子星望远镜主镜冷却方式简图Fig．2 the layout of Gemini coolingmethod

3．2 吹风式冷却板辐射换热

该种冷却方式是在冷却板辐射换热的基础上加了风扇，如图3所示。风扇增加了主镜下表面与冷却板之间的空气流动，以对流换热的形式加速了热量的传递，极大地增加了冷却效率。

图3 吹风式冷却板辐射换热简图Fig．3 Backside cooling by radiation and convection with fans stirring the air between a cold plate and themirror substrate

口径为8．2 m弯月镜的VLT采用了类似的热控方式［14］。VLT主镜的背部放置的不是冷却板，而是将镜子分为12个扇形区域，每个扇形区域布置了形状复杂，蜿蜒曲折的冷却管路，如图4所示。采用的冷却管路代替冷却板的方式，可以在保证均匀冷却的前提下，既有效地避开镜子背部的主动支撑组建，又有效地减轻了冷却系统的重量。VLT冷却系统中风扇通过强迫对流增加了冷却效率，可以使热量快速地被冷却回路中的水和乙二醇的混合液带走，但为了防止风扇振动对观测的影响，望远镜在工作状态下仍以辐射换热的形式控制主镜的温度。

图4 VLT主镜背部的冷却系统Fig．4 VLTM1 back plate cooling system

3．3 主镜反射面吹风式冷却

主镜反射面与周围空气的温度差是影响主镜视宁度的直接因素，主镜反射面吹风式冷却直接将冷却空气吹在反射表面上进行冷却，可以快速地对反射面进行降温，如图5所示。空气以10～20 m/s的速度在一个4 m的平板上流动时，对流传热表面传热系数h可以达到5～10W/m2/K，虽然这种冷却方式可以快速的降低反射面的温度，但不能很好的冷却主镜背面。口径为3．67 m的AEOS采用的就是类似的热控方式［15］，如图6所示。在主镜的外边缘安装4个风扇，从风扇出来的空气通过导流片吹向主镜反射表面，然后空气流通过主镜中心孔，从镜子的背部流出。这样可以尽可能的减少主镜表面与周围空气的温度差和主镜本身的温度梯度。主镜的冷却速率可以通过控制风扇的转速，吹风的速率实现。

图5 主镜反射面吹风式冷却简图Fig．5 reflecting side cooling with forced air

图6 AEOSM1吹风冷却系统Fig．6 AEOS primarymirror ushing cooling system

3．4 空气喷射阵式冷却

如图7所示，在该冷却方式中，在镜子背部的喷射嘴面板上布置了均匀分布空气喷射嘴，冷却空气通过空气喷射嘴，以一定的速度沿垂直于主镜下表面方向射向主镜，然后空气通过再循环由位于镜室远端或者附近的热交换器进行冷却。通过与主镜进行强迫对流换热，主镜的热量先由冷却空气带到热交换器，再由热交换器中的冷却液将热量排出。主镜与主镜室周边的密封是为了防止由于冷却空气的泄漏而引入的主镜视宁度。这种冷却方式最大的优点是对流传热表面传热系数大，主镜的冷却速率快。

图7 空气喷射阵式冷却简图Fig．7 The cell side of the substrate is cooled by an array of air jets

口径为4 m的薄面镜太阳望远镜ATST主镜背面采用的就是类似的方式［16］，如图8所示。主镜背部以100 mm的间隔均匀布置了555个空气喷射嘴。每个喷射嘴的内径为20 mm，喷射嘴喷射出的平均空气的速率为10～20 m/s。理论上讲，该参数下的空气喷射阵式冷却的平均传热系数可以达到55W/m2/K，可见该冷却方式具有很高的冷却效率，为了能最大化的带走主镜的热量，冷却空气的工作温度一般低于主镜温度10℃。冷却空气温度由位于主镜室外部的热交换器调节。

图8 主镜室支撑结构和空气喷射嘴布局图Fig．8 M1 cell structure with supports and impinging jetmanifold design

空气喷射阵式冷却方法是通过空气喷射喷嘴的均匀布局实现对主镜的温度控制，每个空气喷射喷嘴都能实现对镜子的局部冷却，所以这样冷却方式对镜子背部形状具有很强的适应性。基于这种特点，空气喷射阵列式冷却方式广泛应用于轻量化主镜的热控系统。空气喷射阵式冷却在轻量化镜的热控系统中得到了广泛的应用。如口径为3．5 m的WIYN［17］，口径为 8．4 m 的 LSST，口径为8．4m 的 LBT［18］，口径为6．5 m 的 MMT［19－20］等。以 MMT 为例，如图 9 所示。冷却空气先进入由镜室和喷射嘴阵列板构成下增压间，然后通过1020个喷射嘴射向主镜轻量化背部，对主镜进行冷却，热交换之后，空气由主镜轻量化背部和喷射嘴阵列板构成的上增压间通过150个排气口排出，流向热交换器进行再循环。

4 总结

随着望远镜口径的增加，温度对望远镜成像质量的影响愈加明显，为了得到更佳的望远镜成像质量，对望远镜主镜进行合理的热控也愈加显得重要。但由于望远镜具有很鲜明的个性，各个望远镜的性能要求，自身结构，工作站址等不同，不同望远镜对其主镜热控系统的温控要求也不尽相同。在主镜热控方式的选择上，应根据望远镜自身结构的特点选择简单可靠的冷却方式，为了满足热控要求，可以将以上的冷却方式进行适当的组合，如对于太阳望远镜，由于空气和望远镜的比热容相差较大，其在白天工作时，太阳辐射造成望远镜主镜的温度和周围空气温度的温度差较大，所以为了减少主镜视宁度的影响，需要较大的冷却功率，为此常常采用主镜反射面吹风式冷却和空气喷射阵式冷却想结合的方式。对于厚度较为均匀的薄面镜主镜，具有较好的热一致性，其主镜的冷却方式可以有多种选择;而对于轻量化主镜望远镜，为了适应其主镜背部复杂的几何拓扑结构和较差的热一致性，一般选用空气喷射阵式冷却。为了提高望远镜的观测时间，减少望远镜打开圆顶后温度的滞后性影响，常常需要在打开圆顶前通过空调系统对望远镜进行温度的预调节。文中对望远镜主镜热控的原则详细的论述，并给出了多种主镜的热控设计方案，可以很好的解决由于主镜视宁度和主镜温度梯度对望远镜成像质量造成的影响，对大口径望远镜的主镜热控系统设计有一定的借鉴意义。

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