基于kinematic原理的TMT三镜支撑系统关键技术研究

TMT (Thirty Meter Telescope) is a project of international cooperation initiated by the United States, the tertiary mirror is a 3594mmX2568mm ellipse flat mirror. The support system adopts passive support based on kinematic principle. For axial support system, 18 point whiffletree passive support is used. But we found the traditional whiffletree for circular reflect mirror is only an especially example, it can not be used on the elliptical reflect mirror directly. So we put forward a mothed using corrective moments to correct support force, the mirror surface figure error RMS is 107nm after correcting. For lateral support, based on the classic three point kinematic support principle, we put forward 12 point lateral support proposal for large aperture reflect mirror, this plan has better emperature adaptability, and assemble stress is tiny. .The project not only can enrich and develop classic kinematic support principle, but also the key support technology can be applied to the future of China's large optic-electrical equipments.

TMT望远镜是由美国发起的国际合作项目，其三镜是一个口径为3594mmX2568mm的椭圆形平面镜。支撑系统采用符合kinematic原理的被动支撑。针对底支撑系统，采用18点whiffletree被动支撑，但是研究发现，传统的应用在圆形反射镜上的whiffletree支撑只是whiffletree支撑的一个特例，不能直接应用在椭圆形反射镜上。申请人提出采用校正力矩的方法对支撑力进行校正，校正后的面形误差达到RMS=107nm。针对侧支撑系统，在经典的三点kinematic支撑的基础上，提出了适合大口径反射镜的12点侧支撑方案，该方案温度适应性好，装配应力小。.通过本项目的研究，不但可以丰富和发展经典的kinematic原理的支撑方案，而且可以把这种支撑技术应用到我国今后的大型光电设备中。

TMT望远镜三镜是一个口径为3594mmX2568mmX100mm的椭圆形平面镜,重量达到1.8t，要求采用被动支撑方式。并且三镜任意状态下的面形误差为Sloperms<1urad。这对于四米量级的反射镜来说是一个巨大的挑战。.本项目基于TMT的特殊要求，提出了两种不同的底支撑方案和四种不同的侧支撑方案，并进行了对比分析，确定采用符合Kinematic原理的18点底支撑方式和12点侧支撑方式，并建立了全系统的有限元模型，进一步进行了仿真分析。分析发现，对于椭圆形反射镜，由于支撑结构自身重力的影响，反射镜面形达不到设计要求，因此提出了进行力矩校正的方法，建立了力矩校正模型，并计算了校正力矩的大小。经力矩校正后，静力学和动力学特性均满足设计要求。在分析和实验过程中发现，Whiffletree支撑系统的加工装调误差以及柔性铰链的柔度等均影响支撑力误差，因此提出了对支撑系统进行平衡性测试，并提出了一种平衡性测试方法，开展了相关实验，相关结论直接应用在某2m望远镜上。.对于Whiffletree底支撑形式，从支撑点的优化、力的分布、Whiffletree结构形式设计、刚度计算、力矩校正、有限元建模方法和仿真分析、Whiffletree平衡性测试方法等建立一整套系统性的方法和设计流程，进一步完善了Whiffletree底支撑的基本理论。对于Whiffletree侧支撑形式，在经典的三点柔性侧支撑的基础上，提出和发展了12点符合Kinematic原理的Whiffletree侧支撑形式，并进一步分析了Whiffletree结构形式与系统谐振频率之间的关系，提出了等效圆的概念，得出了等效圆与谐振频率之间的关系。进一步丰富和发展了基于Kinematic原理的Whiffletree支撑理论。.至目前为止，本项目已取得了多项研究成果，共发表文章6篇，其中SCI收录2篇，EI收录2篇，申请专利3项。本项目中的关于Whiffletree支撑系统的仿真分析方法、力矩校正方法、平衡性测试方法等相关成果已经在某2m望远镜上得到了工程应用，取得了非常好的工程应用效果。