地基望遠鏡塔臺圓頂結構形式及設計原則

張景旭

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

地基光學望遠鏡需要有圓頂保護以使其免遭光照、雨雪、強風、灰塵的侵害。圓頂設計應滿足以下幾個條件:(1)在結構上允許望遠鏡在各個方向上自由轉動接近天空，減少熱對望遠鏡的影響;(2)圓頂要提供設備控制實驗室及輔助設施的容納空間;(3)圓頂及鏡面處視寧度要盡可能小。圓頂及望遠鏡的很多特征均是基于這種思想設計的，一般情況下塔臺圓頂及相關建筑的價值要占整個觀測站的20%～30%。

使用環(huán)境要求苛刻是大口徑望遠鏡的一個顯著特點。作為大型高檔設備，要使設備發(fā)揮出應有的效能，必須有優(yōu)良的環(huán)境條件作保證。從上世紀50年代起，為了充分發(fā)揮望遠鏡的最大效率，各國天文學家就十分重視天文臺址的選擇。衡量臺址的好壞主要有以下幾個指標:(1)天氣情況，要保證一年至少有200多天可觀測的好天氣。(2)好的大氣視寧度條件。由于溫度及風的影響，大氣折射率時刻都在變化，這使得到達望遠鏡口徑的光強度及方向也不斷變化，這種現(xiàn)象被定義為視寧度。大氣視寧度是衡量臺址優(yōu)劣的最重要指標，理想臺址的大氣視寧度應在1″以內(nèi)。由于海拔高度低的臺址光經(jīng)過的大氣層厚，大氣視寧度差，因此，建設臺址多數(shù)選在高山之巔。(3)盡可能避開人類活動密集的地區(qū)，減少天光背景及大氣污染的影響。(4)避開地震帶，保證地基堅固穩(wěn)定。(5)臺址區(qū)的供電、供水、交通及相關設施要滿足基本生活需求。世界上主要的光學臺址在美國夏威夷、智利及西班牙的加利納(Canary)島。近期我國也在西部開展了塔臺選址的研究工作［1-2］。為了能對我國今后研制塔臺圓頂提供技術支持，本文基于對國外有代表性的塔臺圓頂?shù)难芯亢头治?，提出了一系列相應的塔臺圓頂設計原則及設計時應考慮的相關因素。

2 典型望遠鏡塔臺圓頂?shù)慕Y構形式

按幾何形狀，塔臺圓頂可分為:半球形、球柱形、圓柱形及多面體柱形等幾種形式。從使用方式上看，圓頂又分為:轉動圓頂、隨動圓頂及可分離式圓頂。近年來，歐洲南方天文臺又設計出篷式折疊圓頂并投入使用。

通常，球形圓頂允許望遠鏡在其內(nèi)自由轉動，其體積小于柱形圓頂。球形形狀允許在頂上開百葉窗口，遇有強風時可最大限度減小開啟尺寸。遇有雪天，球形結構較平面結構可少存積雪。另外，由于圓形結構的軸對稱性，其迎風、抗強風的能力較其它結構要強。柱形圓頂在通風能力上占有優(yōu)勢。盡管其結構形式的效率較低，表面積及體積較大，但由于可使用直梁構件進行建造，其造價會大大降低。球形圓頂在望遠鏡上方存在風流提升效應，會影響視寧度，而柱形圓頂就沒有此類問題，總之兩種形狀各有優(yōu)缺點。一般傳統(tǒng)圓頂都是球形旋轉圓頂，早期的圓頂為兩個半球形部分繞同一個回轉軸各自獨立旋轉，兩個部分的組合運動可使望遠鏡光軸指向半球面內(nèi)的任何方向。這種結構可手動也可自動控制，但圓頂體積較大，可以減小進入內(nèi)部的風速。旋轉圓頂可允許圓頂和望遠鏡獨立旋轉，這樣用于內(nèi)部起吊的起重機及升降機等設備就可以安裝在圓頂上，使望遠鏡周圍有很大的可用空間。隨動圓頂意味著圓頂要隨著望遠鏡轉動而同步轉動，多鏡面望遠鏡(MMT)及新技術望遠鏡(NTT)圓頂就是隨動結構。這種結構特點是由一層絕熱性好、熱容低的墻將望遠鏡部分和辦公區(qū)、實驗室及存儲區(qū)部分隔開。圓頂及建筑的總體尺寸大為減小，造價也低，三明治式的墻體結構可使氣流平緩。其缺點是氣窗結構提高了風速，導致結構產(chǎn)生震動，且由于隨動旋轉，轉動質(zhì)量被大幅度提高，從而導致控制復雜化。可分離式圓頂即觀測時圓頂要與塔臺分離，放置在塔臺側面或下面。這種結構雖然降低了塔臺熱容，使望遠鏡溫度可快速與環(huán)境溫度一致，但操作不方便，不適合大口徑望遠鏡，尤其對于主動光學薄鏡面結構，遇有強風迎風工作會產(chǎn)生風擋玻璃效果，使鏡面控制變得困難。

隨著技術進步及應用的擴展，現(xiàn)代塔臺圓頂?shù)脑O計更注重熱控效果，為追求塔臺視寧度及望遠鏡結構視寧度指標，結構也更加復雜緊湊，特別是4 m級以上的大口徑望遠鏡塔臺設計考究、造價昂貴。圖1為夏威夷毛伊觀測站塔臺群，圖2為8.2 m極大口徑望遠鏡(VLT)用高檔圓頂［3-4］。

圖1 夏威夷毛伊觀測站塔臺群Fig.1 Actual picture of Maui space surveillance sites in Hawaii

圖2 8.2 m VLT用高檔圓頂Fig.2 Enclosure of VLT with aperture of 8.2 m

新型折疊式圓頂在打開時，會使望遠鏡處于完全開放的環(huán)境中，不會因為其本身的結構影響氣流運動并影響氣流溫度變化，視寧度條件好，在打開后幾分鐘內(nèi)就可使圓頂內(nèi)外的空氣溫度達到平衡。由于其自身為布和鋼架的混合結構，所以吸熱量小，溫控簡單，有利于觀測，且造價低，質(zhì)量輕，便于制造和安裝，驅(qū)動系統(tǒng)相對簡單。正是由于以上的突出優(yōu)點，折疊式圓頂正在受到人們越來越廣泛的關注［11-12］。

在Canary島有兩個已經(jīng)建成的折疊式望遠鏡圓頂—DOT和GREGOR，直徑分別為7 m和9 m，DOT圓頂如圖3所示，這是兩個大型全自動折疊圓頂?shù)某晒Ψ独?。DOT圓頂已經(jīng)工作了14年，GREGOR圓頂也已經(jīng)工作了6年。這些圓頂經(jīng)歷了多次強風和雨雪天氣的襲擊，結構完好無損，也沒有因為頻繁的打開和關閉而松弛，尤其是GREGOR，經(jīng)受住了2005年11月28日Delta颶風的侵襲，現(xiàn)在仍然可以在風速為20～25 m/s的環(huán)境中安全地打開和關閉［5-6］。

圖3 DOT望遠鏡折疊圓頂Fig.3 Actual picture of DOT retractable enclosure

塔臺圓頂設計主要包括:塔臺布局設計、環(huán)境適應性條件設計、圓頂結構設計、熱設計、轉向架及驅(qū)動設計等。塔臺布局主要由互相連通但隔熱的幾個部分組成，包括控制室、設備室、望遠鏡基墩及旋轉圓頂幾個部分，要根據(jù)選定站址的地理條件及相關使用能力要求進行合理布局。

望遠鏡塔臺圓頂并非常規(guī)的建筑結構，站址往往選在遙遠的高山上，其受地震及強風的影響風險高。因此，從氣象學及地球物理學角度考慮要建立相應的設計準則，要能滿足工作條件、邊界環(huán)境可操作條件及極端情況下生存條件的要求。圖4為4.2 m口徑DCT望遠鏡塔臺圓頂設計實例截面圖［7］。

圖4 DCT望遠鏡塔臺圓頂截面圖Fig.4 Diagram of DCT enclosure section

DCT站址位于2 377.5 m的高山上，其環(huán)境適應性條件設計見表1。

表1 DCT站環(huán)境適應性條件Tab.1 Environment conditions of DCT

圓頂結構設計主要有:望遠鏡室設計、風擋及天窗設計等。通常，從視寧度角度考慮，望遠鏡室基面要高于地面10～20 m，這一高度也可減小灰塵的影響。通風有助于減小圓頂視寧度，因此在圓頂上部要安裝可開啟閉合的天窗，在側部要設置風擋窗口。

3 塔臺圓頂?shù)臒嵩O計原則及環(huán)境適應性考慮

以3.67 m口徑的先進光電系統(tǒng)(AEOS)望遠鏡塔臺圓頂為例來分析圓頂內(nèi)的熱控措施，如圖1所示。天文圓頂是惡劣局部視寧度的主要來源，因為白天圓頂被加熱而晚上熱空氣被截留在圓頂內(nèi)部，這些熱空氣只有通過狹長的天窗才能擴散出去，而望遠鏡就是通過這個天窗實施觀測的。AEOS圓頂?shù)脑O計考慮了如何解決這一問題，圓頂由兩個頂部開孔的同心圓筒組成，望遠鏡工作時天窗打開，圓頂?shù)膰鷫档椭镣h鏡從孔里顯現(xiàn)出來，使望遠鏡完全暴露在周圍夜間大氣中。這種形式的圓頂使得圓頂內(nèi)的熱空氣能迅速地擴散到周圍的空氣中，從而消除標準圓頂設計給視寧度帶來的負面影響。圓頂裝有4個空氣調(diào)節(jié)器以產(chǎn)生冷空氣，通過在操作開始前對圓頂進行制冷，使得望遠鏡和外部空氣的溫差最小化。一旦操作開始，這些空氣調(diào)節(jié)器就要關閉，否則系統(tǒng)內(nèi)空氣的流動會引起望遠鏡周圍空氣的紊亂。內(nèi)部設置了主鏡防結露空氣干燥系統(tǒng)，當望遠鏡處于貯存位置，干燥空氣被抽到主鏡和鏡蓋之間的空隙以阻止?jié)駳庠谥麋R上凝結，保護光學鍍膜免受損害。圓頂內(nèi)的空氣被抽到干燥單元并加熱到32.2℃，然后這些空氣通過一個隔離的空氣調(diào)節(jié)器重新冷卻。此外，內(nèi)部還設置了望遠鏡通風系統(tǒng)，通風孔位于軛臂、背部和鏡體組件上的不同點，當望遠鏡空調(diào)系統(tǒng)工作時，空氣被吹入通風孔，然后經(jīng)過望遠鏡結構。吹動空氣的風扇位于望遠鏡的地板下面，而望遠鏡則位于一個隔離的厚厚的水泥地板上，這樣能使系統(tǒng)傳遞給望遠鏡的振動最小化。順著風向，空氣在離望遠鏡幾百英尺外被排空。風扇吹動周圍的空氣通過望遠鏡，使望遠鏡結構內(nèi)和周圍空氣不再存在溫差［8］。

環(huán)境溫度適應性問題即為熱控問題。熱控系統(tǒng)的設計宗旨是使關鍵系統(tǒng)的溫度控制在設計范圍并使觀測站址的科學性能最大化。具體原則如下:保持光學及支撐結構的溫度在其設計范圍;保持靠近光路系統(tǒng)尤其主鏡系統(tǒng)的溫度接近環(huán)境溫度，使地基望遠鏡的視寧度最小化;保持科學設備及探測器在適當?shù)墓ぷ鳒囟?對紅外系統(tǒng)要求設備背景輻射的影響最小化。

熱控方法主要有被動熱控和主動熱控兩種。被動熱控方法主要有:涂鍍、隔熱、散熱(控制外部熱量輸入或廢熱積存)。主動熱控方法主要有:熱管加熱、強制通風及冷卻劑制冷。設計時要關注使用材料的熱導率、線漲系數(shù)、日光吸收率及發(fā)射率等參數(shù)。主鏡的材料選擇要考慮低膨脹(ULE)玻璃及微晶玻璃等低膨脹材料，在尺寸及面形精度控制上要考慮薄鏡面(降低熱慣量)及主動光學技術。塔臺的熱穩(wěn)定性問題是導致成像質(zhì)量下降的根源，也就是局部視寧度或塔臺視寧度問題。實踐證明，溫度的起伏變化在接近熱交換表面處最大，由溫度起伏帶給視寧度的影響也會隨著遠離熱交換表面而快速減小。因此，對塔臺及望遠鏡內(nèi)部自由對流的控制成為設計的指導思想。

熱設計是望遠鏡結構及塔臺圓頂設計重點考慮的問題，是一體化設計問題。20世紀70年代，隨著大口徑望遠鏡的設計應用，塔臺圓頂熱設計逐漸受到重視。主要采取的方法是:(1)用小的狹縫及風擋窗口將圓頂內(nèi)外隔離;(2)控制望遠鏡及圓頂?shù)臏囟?，使其夜間工作時圓頂內(nèi)、外部空氣的溫差最小。采用冷卻地板的方法來實現(xiàn)望遠鏡及鏡室的溫控，但這種方法雖然取得了一定的效果，不過由于對大型望遠鏡的成像質(zhì)量要求很高，塔臺及望遠鏡都存在較大的熱慣量，忽視了內(nèi)部視寧度的控制，仍然沒達到理想的熱控效果。20世紀90年代，以MMT為代表的大型望遠鏡系統(tǒng)首先革新了傳統(tǒng)的熱控方法，提出了現(xiàn)代望遠鏡及塔臺圓頂熱設計的新思路。主要采取的方法是:首先，望遠鏡結構及光學元件采用較低熱慣量設計方法，采用輕質(zhì)薄鏡面結構，整體結構系統(tǒng)為開放式風格;其次，圓頂在夜間工作時大范圍敞開，使望遠鏡最大限度接觸周圍空氣，允許其達到熱平衡。在具體結構設計時要體現(xiàn)下列設計原則:(1)望遠鏡安置在足夠高的距地高度處，通過空氣動力學設計圓頂，阻止地表氣流進入圓頂內(nèi)或在望遠鏡上方流動。(2)圓頂外部表面采用高反射及隔熱設計，使白天的熱輸入最小化;采用望遠鏡室空調(diào)控溫及主鏡單元控溫來降低高的熱慣量。(3)望遠鏡室內(nèi)設備產(chǎn)生的熱控制在最小范圍，地板下設置隔熱層。(4)辦公室實驗室的產(chǎn)熱控制在最小范圍。(5)當圓頂敞開時，允許風平穩(wěn)流動，減小風進入圓頂?shù)淖枇Γ?0，13］。

4 望遠鏡基墩設計原則

圖5 分離式基墩結構Fig.5 Schematic diagram of separate foundation pier

基墩用于為望遠鏡提供穩(wěn)定的承載安裝平臺，對其承載能力要求較高。如4.2 m口徑的DCT望遠鏡基墩承載能力為175 t;8.2 m口徑的VLT望遠鏡基墩承載能力為1 000 t。嚴格來說，塔臺圓頂和基墩是兩套完全獨立的系統(tǒng)。為了減少圓頂旋轉及風擾動引起的振動干擾，塔臺基礎和基墩基礎要完全隔離開。由于低造價及優(yōu)良的阻尼特性，基墩一般由鋼筋混凝土建造而成。最理想的設計是基墩直接建造在地下基巖上，但這很難做到，成功與否取決于站址的地理條件及望遠鏡的噸位。典型的基墩結構有兩種:一種是在地下灌注成型或打入的柱樁上建造基墩，基墩一般設計成空心圓柱、空心圓錐或方形，靠支撐樁的側面摩擦力來提供支撐。若望遠鏡的噸位較大，則支撐樁必須打入地下基巖上。圖5即為這種基墩結構。另一種結構為較大面積的混凝土澆注基座(即大質(zhì)量塊)，支撐力來自于基墩下土壤對混凝土塊的均布壓力。通常，露出面部分的強度計算和一般的結構分析完全相同，但地下部分的計算主要取地決于土壤的剪切模量G和泊松比γ。對望遠鏡來說基礎設計最重要的并不是它的承載能力，而是它的彈性系數(shù)，特別是引起結構振動的動態(tài)彈性系數(shù)?；赵O計除考慮承載能力外，更重要的是保證抗扭剛度及系統(tǒng)固有頻率?；张c望遠鏡底部的接口是通過地基環(huán)來實現(xiàn)的，地基環(huán)一般為鑄鐵結構，其與基墩之間的連接剛度取決于地基環(huán)布筋及植入基墩內(nèi)的鋼體錨桿的穩(wěn)固連接。也有系統(tǒng)是在地基環(huán)和基墩之間的縫隙注入高強度膠，進一步提高基座的穩(wěn)定性及連接剛度。

望遠鏡與基墩的設計要一體化考慮，特別要重點分析對地震載荷的適應能力，這關系到昂貴的望遠鏡系統(tǒng)的使用壽命。8.2 m口徑的VLT望遠鏡基墩設計就對抗地震載荷的能力進行了深入分析［9］。

地震的隨機運動一般以其加速度的頻譜來表示，地震運動有3個方向的分量，包括2個水平方向和1個垂直方向。地震運動加速度的頻譜是一種地震波的響應譜，所謂地震波的響應譜是地震波對于單一的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)所產(chǎn)生的最大影響。地震波的響應譜的平方是地震的能量譜，這個能量譜是頻率的函數(shù)，也與系統(tǒng)的阻尼值相關，一般情況下采用的阻尼值為1%。地震強度以地表水平加速度值來表示，一般基墩設計分析取值為0.3 g。地震的震級與最大地表加速度有著密切關系。表2為歐洲南方天文臺VLT系統(tǒng)分析地震載荷能力采用的特征參數(shù)，站址位于智利北部的Cerro Paranal。其中，OBE為可操作的基本地震參數(shù)，MLE為最大可能的地震參數(shù)［9］。

表2 地震特征參數(shù)Tab.2 Earthquake characteristic parameters

5 結束語

地基望遠鏡塔臺圓頂?shù)脑O計制造是系統(tǒng)工程，關系到設備的使用效能和觀測效果。目前，靶場用經(jīng)緯儀的圓頂設計還很簡單，更多考慮的還是容納功能，對臺址的選擇受靶場儀器布站位置的制約，無法照顧視寧度指標。天文觀測用望遠鏡對站址的選擇考慮了視寧度因素，但多半離城市較近，天光背景不佳。國內(nèi)各天文臺站的塔臺圓頂設計不夠高檔，熱設計不夠嚴謹。因此，本文通過對國外高檔塔臺圓頂?shù)难芯浚岢鲆幌盗邢鄳乃_圓頂設計原則及設計時應考慮的因素，以期為我國今后研制高檔塔臺圓頂提供一些技術參考。

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