大口径望远镜拼接主镜划分及外形加工技术研究

Large aperture optical telescope is powerful tool for astronomical observation. It promotes the discovery of universe mechanisms. The construction and successful operation of 8~10 meter class telescope with segmented primary paved a plausible way for building next generation large aperture telescope. At present, U.S. and European countries propose to construct 30m class telescope following segmented primary design. The great curved optical surface cannot be separated into regular polygons as flat surface. However, the results of segmentation play important role in manufacturing and testing segments, support assembly design, material utilization ratio, etc. How to make a balanced segmentation is a demanding target for large telescope construction. Meanwhile, the fabrication segment structure profile is also a hard task for that the error of fabrication has direct impact to stitching precision between segments. The special processing sequence which put grinding after polish makes only the optical surface available for fixture during fabrication. It is necessary to protect optical surface from scratches or other kind of damage. It also necessary to control sub-surface damage, reduce grinding stress and meet the geometric specification as well. So the study of structure profile fabrication for segments is both challenging and in urgent need. The project will greatly promote international cooperation of Thirty Meter Telescope and lay solid foundation for construction segmented large telescope for China.

极大口径光学望远镜是天文观测的利器，有助于天文学家揭示宇宙运行的机制。8~10米级望远镜率先应用的拼接镜面技术为建造大口径主镜奠定了基础，目前国际上正在建造30米级的望远镜继承了拼接镜面方法。然而极度弯曲的光学面是不可能像平面那样划分成规则的正多边形的，而子镜划分结果极大程度的制约加工方法、支撑设计、镜面材料利用率等工作，如何给出综合而平衡的划分方法极为重要。同时，不规则子镜外形的加工误差是影响拼接精度的关键，由于目前采用前期进行预应力加工、后期进行外形加工的流程，在外形加工阶段只能使用光学面进行夹持。既需要避免光学面受到刮痕等损伤，又要控制亚表面损伤，降低加工应力，满足几何精度要求，具有的挑战性，有待研究。项目的成功开展将为研制国家重大科技基础设施建设“十三五”规划中的12米口径光学红外拼接镜面望远镜、推动“三十米望远镜”国际合作提供有力支持。

大口径拼接镜面望远镜对研究黑洞、系外行星、星系演化等至关重要，国际上正建造三十米望远镜、欧洲极大望远镜，我国也正筹建12米光学红外望远镜。然而弯曲的光学主镜是不能划分成规则的正六边形，子镜划分结果制约加工方法、支撑设计和镜面材料利用率，研究综合而平衡的划分十分重要。.项目对典型的光学望远镜主镜的弯曲度进行了分析，给出了8种标准划分模式，而目前光学望远镜立体角都小于π/6，适合采用平面划分模式。其次，提出了地图逆向投影划分的方法，获得了保形投影（子镜形状最规则）、等面积投影（子镜面积相等）、等径长投影（子镜外接圆最小，也最节省镜面材料），并在此基础获得综合投影的方法，能够综合上述方法的特点。方法用于三十米望远镜划分计算，结果在多项指标上优于目前方案。方法已用于莫纳克亚巡天望远镜和我国筹建的12米光学望远镜的主镜划分，并撰写了技术报告。.项目对拼接子镜复杂外形的加工也进行了研究：设计了9点Whiffle Tree真空装夹，对关键部件和加工工艺进行了测试，制定了检测方法，并用上述技术完成国际三十米望远镜1.5米口径的第63号子镜的外形加工，获得显著进展。.研究成果对我国自主建造12米口径光学红望远镜提供有力支持，也有利于三十米望远镜国际合作。