Springer航天技术译丛 大型光学望远镜的设计与建造PDF电子书下载

引言 1

1 天文观测 5

1.1 天文望远镜的作用 5

1.2 观测源特征 5

1.2.1 强度 5

1.2.2 天空中最关注源的分布 7

1.3 通过大气的观测 8

1.3.1 大气消光 8

1.3.2 大气辐射 10

1.3.3 大气折射 11

1.3.4 大气扰动：基本概念 12

1.3.5 大气扰动：视宁度物理意义 16

1.4 背景源 17

1.4.1 天空背景 17

1.4.2 大气背景 20

1.4.3 杂光和探测器背景 20

1.4.4 应对大气和望远镜的热辐射 21

1.5 信噪比 22

1.6 时间 25

1.6.1 恒星时 25

1.6.2 儒略日 25

1.7 坐标系统 26

1.8 指向修正 28

1.8.1 岁差和章动 29

1.8.2 自行 29

1.8.3 视差 29

1.8.4 恒星光行差 30

1.8.5 大气折射 31

1.9 望远镜指向和跟踪过程 31

1.9.1 目标截获 32

1.9.2 引导 33

1.9.3 引导星表 33

1.10 望远镜与干涉仪 33

参考文献 35

书目 36

2 仪器 38

2.1 仪器的主要类型 38

2.1.1 相机 38

2.1.2 光度计 39

2.1.3 偏振计 40

2.1.4 色散型光谱仪 41

2.1.5 法布里-珀罗光谱仪 43

2.1.6 傅里叶变换光谱仪 44

2.2 可见-中红外探测器 45

2.2.1 半导体内的光子探测 46

2.2.2 CCD探测器 48

2.2.3 红外阵列探测器 49

2.2.4 专用探测器的特点 51

2.3 中继光学 54

2.4 制冷系统 55

参考文献 56

书目 56

3 设计方法与项目管理 57

3.1 项目生命周期 58

3.2 系统工程工具 60

3.2.1 设计参考程序 61

3.2.2 需求逐级“下行” 63

3.2.3 误差分配 65

3.2.4 端对端计算机仿真 67

3.2.5 可测性和容错性设计 68

3.2.6 缩比法则 68

3.2.7 成本模型 70

3.2.8 作为设计变量的成本 72

3.2.9 天文观测平台性能评价 73

3.3 项目管理 78

3.3.1 一般性原则 78

3.3.2 项目组织 79

3.3.3 项目分解结构 79

3.3.4 项目数据库 80

3.3.5 采购策略 81

3.3.6 技术开发 82

3.3.7 可靠性 83

3.3.8 质量保证、检验和验证 84

3.3.9 接口文档 85

3.3.10 结构管理 85

3.4 项目进度表 85

3.5 风险分析 88

3.6 成本估算和预算编制 89

3.6.1 成本估算方法 89

3.6.2 主要资助机构的财政预算 90

3.6.3 成本估算的准确率 91

3.6.4 多个单元建造 91

3.6.5 拟定预算和资源规划 92

参考文献 93

书目 94

4 望远镜光学系统 95

4.1 光学设计基础 95

4.1.1 基本原理 95

4.1.2 二次曲面公式 96

4.1.3 光阑与光瞳 97

4.1.4 初级像差 98

4.1.5 波像差 100

4.1.6 衍射效应 102

4.1.7 像的形成 103

4.2 望远镜光学的结构 108

4.2.1 单反射镜系统 108

4.2.2 两反射镜系统 109

4.2.3 三反和四反系统 111

4.2.4 球面反射镜系统 112

4.2.5 辅助光学部件 112

4.3 光学误差分配 113

4.4 像质判据 115

4.5 系统参数确定 119

4.5.1 焦点选择 119

4.5.2 焦比选择 120

4.5.3 底板比例与探测器分辨力的匹配 121

4.6 反射镜材料 123

4.6.1 材料要求 123

4.6.2 硼硅酸盐玻璃 125

4.6.3 超低膨胀融石英 126

4.6.4 低膨胀陶瓷玻璃 126

4.6.5 碳化硅 127

4.6.6 铍 128

4.6.7 铝 128

4.7 主镜结构设计 129

4.7.1 主镜轻量化 132

4.7.2 拼接式光学系统 133

4.7.3 热效应 136

4.8 主镜加工 137

4.8.1 计算机控制研磨 140

4.8.2 预应力反射镜加工 141

4.8.3 主动研磨模成形 142

4.8.4 超精密加工 143

4.8.5 离子束加工 143

4.8.6 快速修正机械变形 143

4.9 加工中的光学表面检测 144

4.9.1 检测体系 144

4.9.2 主要检测技术 146

4.9.3 主反射镜面形检测 149

4.9.4 次镜检测 150

4.9.5 曲率半径测量 151

4.9.6 重力影响去除 151

4.9.7 反射镜的低温检测 151

4.10 反射镜镀膜与清洁 151

4.10.1 反射镜清洁 152

4.10.2 镀膜 153

参考文献 155

书目 158

5 杂光控制 160

5.1 杂光起因 160

5.2 搜寻并定位杂光 160

5.3 消杂光挡板和光阑 162

5.3.1 孔径光阑 162

5.3.2 视场光阑 162

5.3.3 利奥光阑 163

5.3.4 消杂光光阑 163

5.3.5 卡塞格林系统的消杂光光阑 164

5.4 散射过程 165

5.5 杂光分析 166

5.6 表面散射特性 168

5.6.1 镜面散射 168

5.6.2 黑色漫反射表面的散射 171

5.7 消除轴外源散射光的例子HST 172

5.8 减少自身辐射引起杂光的例子NGST 173

5.9 地基望远镜减少背景热辐射 174

参考文献 175

书目 176

6 望远镜桁架与机构 177

6.1 总则 177

6.1.1 符合运动学原理的安装 177

6.1.2 最小不准直 180

6.1.3 预加载的使用 181

6.1.4 加载路径 182

6.1.5 防“粘滑”和“微偏摆”设计 182

6.1.6 材料选择 183

6.1.7 无热化 185

6.1.8 结构设计 186

6.2 设计要求 187

6.2.1 运行模式要求 187

6.2.2 生存条件 188

6.3 主镜的安装 191

6.3.1 整体主镜的安装 191

6.3.2 拼接式主镜系统的安装 195

6.4 望远镜“筒” 196

6.4.1 桁架 196

6.4.2 次镜三脚架和塔架支撑 198

6.4.3 热效应 200

6.4.4 卡塞格林主镜“多脚架” 200

6.4.5 主镜单元 202

6.5 地基望远镜支座 203

6.5.1 赤道式支座 203

6.5.2 地平式支座 204

6.5.3 水平式支座 205

6.5.4 固定仰角固定主镜式支座 205

6.6 地基望远镜轴承 207

6.6.1 滚动体轴承 207

6.6.2 液压轴承 207

6.7 其他机构 210

6.7.1 望远镜整体对准 210

6.7.2 光学装调和对焦设备 211

6.7.3 红外斩波和视场稳定的主动次镜 212

6.7.4 平衡系统 213

6.7.5 缆包和缆捻 214

6.7.6 主镜盖 214

6.8 安全装置 215

6.8.1 制动 215

6.8.2 终点挡板 216

6.8.3 锁定装置 216

6.8.4 地震约束 217

参考文献 217

书目 218

7 指向和控制 220

7.1 指向要求 220

7.2 系统建模 221

7.2.1 一阶质量-弹簧模型 222

7.2.2 中型质量-弹簧光学机械模型 224

7.2.3 综合模型 224

7.3 指向伺服系统 229

7.3.1 伺服系统基本原理 229

7.3.2 望远镜控制系统的实现 231

7.3.3 干扰抑制 236

7.4 姿态驱动器 238

7.4.1 地基望远镜的驱动 238

7.4.2 空间望远镜的姿态驱动器 242

7.5 姿态传感器和引导系统 244

7.5.1 位置编码器 244

7.5.2 测速机 245

7.5.3 陀螺仪 246

7.5.4 星跟踪仪和太阳传感器 247

7.5.5 引导系统 248

7.6 地基望远镜的扰动 251

7.6.1 风的影响：概述 251

7.6.2 风对望远镜结构的影响 253

7.6.3 风对主镜的影响 254

7.6.4 风对望远镜基座（墩）的影响 254

7.7 空间扰动 255

7.7.1 重力梯度力矩 256

7.7.2 气动力学力矩 256

7.7.3 太阳辐射力矩 257

7.7.4 地磁力矩 258

7.7.5 反作用飞轮扰动 258

7.7.6 其他内部扰动 260

7.8 主动和被动振动控制 262

7.8.1 扰动源的被动隔离 263

7.8.2 主动隔离装置 264

7.9 天文台控制软件 265

参考文献 267

书目 269

8 主动光学与自适应光学 271

8.1 基本原理 271

8.1.1 主动光学及自适应光学的作用 271

8.1.2 主动光学和自适应光学的结构 272

8.2 波面传感器 274

8.2.1 夏克-哈特曼传感器 274

8.2.2 曲率传感 275

8.2.3 相位恢复技术 276

8.3 内部度量装置 278

8.3.1 边缘传感器 278

8.3.2 全息光栅块及角反射系统 280

8.3.3 激光度量系统 281

8.3.4 惯性伪星基准 282

8.4 波面校正系统 282

8.4.1 精密控制反射镜 283

8.4.2 主光学的变形 284

8.4.3 专用变形镜 286

8.5 控制技术 288

8.6 典型主动光学系统的实现 289

8.6.1 VLT主动光学系统 289

8.6.2 拼接式系统的对准、共焦与同相 290

8.7 视宁度校正 294

8.7.1 发展史 294

8.7.2 天然引导星自适应光学 295

8.7.3 激光引导星自适应光学 296

参考文献 297

书目 299

9 热控制 300

9.1 一般要求 300

9.2 热环境条件 300

9.3 温度控制技术 301

9.4 尺寸控制目标的热控制 302

9.4.1 面形控制 302

9.4.2 控制光学分离与对齐 304

9.5 避免本地视宁度蜕化 305

9.5.1 白天望远镜罩的热控制 306

9.5.2 暖地板对视宁度的影响 306

9.5.3 热源或望远镜腔水槽影响视宁度 307

9.5.4 望远镜结构冷区造成的视宁度 309

9.5.5 主镜视宁度 309

参考文献 312

书目 313

10 集成与验证 314

10.1 集成和验证的程序、方法和技术 315

10.1.1 验证方法 315

10.1.2 增量验证 316

10.1.3 验证需求矩阵 317

10.1.4 端对端计算机模型验证 317

10.2 天文台确认 318

10.2.1 工程验证 318

10.2.2 科学验证 318

参考文献 319

书目 319

11 观测望远镜罩 320

11.1 望远镜罩的功能和要求 320

11.2 望远镜罩总体结构 321

11.3 望远镜室的地面高度 323

11.4 防风和冲刷 323

11.4.1 基本原则 323

11.4.2 挡风玻璃和百叶窗 325

11.4.3 风和水流动研究及其数学模型 325

11.4.4 望远镜罩内的声模型 326

11.5 热设计 326

11.5.1 基本原则 326

11.5.2 望远镜罩表层热辐射系数 330

11.6 结构和机械设计 330

11.6.1 装载箱 330

11.6.2 望远镜罩形状 331

11.6.3 百叶窗 332

11.6.4 转向车和驱动器 333

11.6.5 气象密封 334

11.7 望远镜墩 334

11.8 操作设备 335

参考文献 336

12 天文台选址 338

12.1 地面还是空间 338

12.1.1 地基建造的优势 338

12.1.2 空基建造的优势 338

12.1.3 飞机和气球 339

12.1.4 各种观测平台的能力 341

12.2 地基天文台的特性需求 341

12.2.1 视宁度 342

12.2.2 未来极大望远镜的选址准则 344

12.3 最好天文台地址的选择和特性 345

12.4 地面台址的评估方法 348

12.4.1 成像质量测试方法 348

12.4.2 微热传感器 349

12.4.3 声波探测器 349

12.4.4 站点气流可视化 350

12.4.5 无线电探空仪（声雷达） 351

12.4.6 大气的数值模拟 352

12.4.7 光学视宁度监视仪 352

12.5 空间轨道与月球 354

12.5.1 低磁倾角低空运行轨道 354

12.5.2 太阳同步轨道 356

12.5.3 地球静止轨道和地球同步轨道 357

12.5.4 高地球轨道 357

12.5.5 太阳-地球第二拉格朗日点 357

12.5.6 漂移轨道 359

12.5.7 日心椭圆轨道 360

12.5.8 月球 360

12.5.9 太阳-木星拉格朗日L2点 361

12.6 太空环境辐射 362

12.6.1 辐射源 362

12.6.2 辐射影响 363

12.6.3 天文台位置的辐射水平 364

12.7 发射 366

参考文献 367

书目 369

附录A 通用符号 371

附录B 基础数据与单位转换 373

附录C 最大望远镜 375

附录D 清晰度 378

附录E 运动方程的推导 380

附录F 术语表 382