首臺南極巡天望遠(yuǎn)鏡的現(xiàn)場裝調(diào)

張毅

（1、中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，江蘇南京 210042 2、中國科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南京天文光學(xué)技術(shù)研究所），江蘇南京 210042）

由于具有特殊的自然條件和重要的戰(zhàn)略地位，南極大陸一直是世界各國科研考察的重地，而Dome A 位于南極內(nèi)陸冰蓋的最高點(diǎn)，是世界上最好的天文望遠(yuǎn)鏡觀測點(diǎn)之一。南極現(xiàn)場嚴(yán)酷的自然環(huán)境、緊張的工作時間以及人力的缺乏都限制了高精度儀器在Dome A 的正常安裝和調(diào)試工作，如何高效同時又保證精度，AST3 的現(xiàn)場裝調(diào)工作經(jīng)驗(yàn)具有非常重要的意義。

南極巡天望遠(yuǎn)鏡(AST3)是赤道式望遠(yuǎn)鏡，其原理是，望遠(yuǎn)鏡筒繞著與地軸平行的軸線，按地球自轉(zhuǎn)的反方向旋轉(zhuǎn)，以抵消地球自轉(zhuǎn)。南極巡天望遠(yuǎn)鏡是由三臺有效通光口徑500mm，主鏡為680mm 的望遠(yuǎn)鏡組成，配置了目前國際上最大的單芯片10K ×10K 的CCD 相機(jī)。其中第一臺望遠(yuǎn)鏡（AST3-1）于2012年1 月22 日在4 位天文科考隊(duì)員的協(xié)同努力下成功安裝在Dome A（圖1）。

圖1 望遠(yuǎn)鏡外觀圖

1 南極巡天望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)場裝調(diào)的難度

1.1 南極運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，時間長，現(xiàn)場裝調(diào)條件惡劣，工作時間短

從中山站前往Dome A 的近二十天里，由于堅(jiān)冰使得雪撬顛簸異常，致使一噸多重的機(jī)架底座下部的液壓減振器被震壞，機(jī)架發(fā)生滑移，為此被迫在路上停留一天，重新更換機(jī)架的減振墊，再次固定機(jī)架。

Dome A 海拔高達(dá)4000 多米，含氧量相當(dāng)于高原的5000米左右，缺氧造成失眠、頭痛、呼吸困難等高原反應(yīng)，使得人員動作遲緩，反應(yīng)能力下降，在不到二十天的時間內(nèi)需要完成望遠(yuǎn)鏡的安裝調(diào)試工作，時間緊，人員精神壓力大；1 月份氣溫在零下30 到40 度左右，高寒使得人員需要穿著厚重的工作服和工作鞋，佩戴棉帽、面罩、手套和墨鏡等防護(hù)用品，在某些特殊工作狀態(tài)，例如空間狹小安裝困難時，就需要將厚手套取下進(jìn)行操作，多處皮膚與金屬接觸而造成凍傷。

1.2 裝調(diào)望遠(yuǎn)鏡的方法特殊，對運(yùn)行、裝調(diào)的可靠性要求高

裝調(diào)赤道式望遠(yuǎn)鏡最重要的步驟就是調(diào)極軸，而裝調(diào)望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)場正處在南極極晝中，無法采用對星的方法對望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行極軸調(diào)整，極軸的調(diào)整精度會影響望遠(yuǎn)鏡的指向和跟蹤情況，對于大視場望遠(yuǎn)鏡的影響主要體現(xiàn)在跟蹤上，長時間的曝光周期，跟蹤不穩(wěn)定會導(dǎo)致像斑的彌散，降低望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量，要保證極軸指向南天極，使得南極巡天望遠(yuǎn)鏡達(dá)到設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場的光機(jī)電裝調(diào)以及極軸調(diào)整的方法是運(yùn)行可靠性的保證。

高海拔、高寒使得Dome A 成為無人區(qū)，望遠(yuǎn)鏡采用無人值守遠(yuǎn)程遙控的工作方式，裝調(diào)完成后一旦出現(xiàn)機(jī)械故障將可能無法即時解決，為此，在國內(nèi)裝配調(diào)試時，配合面多采用定位銷或定位臺階面的方式對部件進(jìn)行定位處理，以便于在現(xiàn)場快速、可靠的定位安裝；在某些關(guān)鍵的部位，安裝十字分劃板，例如在主鏡室中心孔位置安裝分劃板，在國內(nèi)裝調(diào)好分劃板的位置并固定，與主鏡室一起裝箱運(yùn)輸，現(xiàn)場安裝好就能保證與國內(nèi)裝調(diào)的精度相同；為了保證完好的將在國內(nèi)裝調(diào)好的光學(xué)部件運(yùn)輸?shù)侥蠘O，采用了大塊的、特定形狀的泡沫作為光學(xué)部件與包裝箱內(nèi)的減振，同時在包裝箱底部安裝了液壓減振器，使用繩索與集裝箱固定的方式，保證了光學(xué)部件運(yùn)輸?shù)目煽啃裕瑴p少了現(xiàn)場光學(xué)、機(jī)械的調(diào)整時間。因此，裝調(diào)的可靠性很大部分起決于在國內(nèi)的裝調(diào)精度和運(yùn)輸過程的可靠性，如果在現(xiàn)場再進(jìn)行大量的光學(xué)、機(jī)械調(diào)整工作，將使得按時完成望遠(yuǎn)鏡的裝調(diào)變得非常困難。

2 裝調(diào)方法

2.1 平整場地，標(biāo)定平臺架南北線

使用雪地車反復(fù)碾壓場地2-3 小時，將安裝位置的冰雪壓實(shí)，在場地中央使用太陽投影法標(biāo)定南北線，南北線用鐵釘栓線的方法固定在雪地上。鋪裝木板，將平臺架安放于木板上，并根據(jù)南北線的調(diào)整平臺架的位置，使得平臺架的中心線與南北線基本平行。粗調(diào)平臺架的水平，低的方向使用冰雪重新墊高塞實(shí)。

2.2 拆箱吊裝、裝配望遠(yuǎn)鏡鏡筒

拆箱檢查望遠(yuǎn)鏡機(jī)架、主鏡等，將主鏡室和副鏡室組裝到位，鏡筒配平衡后整體吊裝于1.5m 高的平臺架上面，并使得望遠(yuǎn)鏡底座中心線與平臺架中心線初步吻合，由于平臺架上安放了一噸多重望遠(yuǎn)鏡，使得平臺架的水平產(chǎn)生變化，因此需重新調(diào)整平臺架上底板的水平，通過調(diào)整平臺架與底板之間的調(diào)節(jié)螺釘實(shí)現(xiàn)水平粗調(diào)。上電測試望遠(yuǎn)鏡電氣控制狀態(tài)為裝調(diào)做準(zhǔn)備。

2.3 裝調(diào)望遠(yuǎn)鏡機(jī)架東西方向水平

使用水平儀，通過調(diào)整望遠(yuǎn)鏡底座上的墊鐵高度粗調(diào)機(jī)架東西方向水平。在望遠(yuǎn)鏡東邊架設(shè)測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡，校正測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡水平，瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡赤緯軸孔分劃十字線，然后旋轉(zhuǎn)赤經(jīng)軸180 度，再瞄同一分劃十字絲，如果有偏差，按需要旋轉(zhuǎn)赤經(jīng)或調(diào)整測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的方位、高度，重復(fù)以上步驟至赤緯軸與測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡同軸，即望遠(yuǎn)鏡東西方向水平（圖2）。

圖2 裝調(diào)機(jī)架東西方向水平

2.4 光學(xué)檢查望遠(yuǎn)鏡光軸

2.4.1 測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡光軸與赤緯軸軸線垂直

在距望遠(yuǎn)鏡鏡筒前端約50cm-100cm 處架設(shè)測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡，使用電控鎖定赤經(jīng)軸，用微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡穿主鏡中孔分劃板（十字絲），翻轉(zhuǎn)赤緯軸180 度，調(diào)焦再穿主鏡中心十字絲，如果有偏差，則調(diào)整微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡方位和平移，反復(fù)多次，保證準(zhǔn)直鏡穿主鏡中孔十字絲無偏，即校正測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡光軸與赤緯軸軸線垂直。如圖3 所示。

圖3 準(zhǔn)直鏡光軸與赤緯軸垂直并檢查主鏡反射像

2.4.2 測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡檢測主鏡反射像

測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡鏡頭前繃十字絲，用測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦找該十字絲通過主鏡的反射像，如果反射像偏離中心，則調(diào)節(jié)主鏡室后部支撐使得主鏡產(chǎn)生不同程度的傾斜，使得十字絲的反射像居于測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡中心。在調(diào)整后，主鏡室分劃板十字絲與測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡中心可能產(chǎn)生誤差，重復(fù)步驟2.4.1，反復(fù)檢查準(zhǔn)直鏡光軸與赤緯軸垂直度，直至反射像、主鏡室分劃板十字絲與準(zhǔn)直鏡同軸。

2.4.3 測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡穿軸線，并檢查改正鏡與改正板的反射像

在十葉架（焦面）中孔位置安裝分劃十字絲，用微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡分別穿主鏡室十字絲和焦面十字絲，翻轉(zhuǎn)赤緯軸180 度檢查，如果焦面十字絲有偏差，則平移十葉架，反復(fù)多次后，兩個十字絲與準(zhǔn)直鏡同軸。如圖4 所示。

圖4 準(zhǔn)直鏡光軸穿機(jī)械軸線

拆下焦面分劃十字絲，安裝改正鏡，檢測準(zhǔn)直鏡前的十字絲在改正鏡上的反射像，調(diào)整改正鏡傾斜使反射像居中。調(diào)整改正鏡傾斜有兩種方法：當(dāng)調(diào)整量較大時，則松開十葉架中筒與葉片的緊固螺釘，調(diào)節(jié)中筒傾斜到位后再擰緊，在前期國內(nèi)調(diào)試時即用此方法；當(dāng)調(diào)整量較小時，在改正鏡與中筒聯(lián)接的法蘭上作螺紋孔，用螺釘頂壓法蘭面的方法緊固改正鏡，并使其產(chǎn)生微量傾斜。安裝改正板，檢查十字絲反射像居中；完成后，即鏡筒光軸與機(jī)械軸線同軸（圖5）。

圖5 檢查改正鏡、改正板反射像

2.5 標(biāo)定赤經(jīng)零位

2.5.1 準(zhǔn)備工作

在望遠(yuǎn)鏡后部的能源倉（外觀類似集裝箱）的頂部使用太陽投影法，在太陽中天時作正南正北線，劃線的位置應(yīng)盡量與望遠(yuǎn)鏡鏡筒軸線投影面靠近。拆下改正板、改正鏡，裝上焦面分劃板（十字絲），將鏡筒重新配平衡，測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡更換為經(jīng)緯儀，經(jīng)緯儀放在測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡支架上并使用壓板壓住經(jīng)緯儀底座，可方便調(diào)節(jié)經(jīng)緯儀平移和高度。

2.5.2 穿光軸，光軸引線，標(biāo)定赤經(jīng)零位。

調(diào)整經(jīng)緯儀穿焦面十字絲和主鏡室十字絲，但還是不能方便的與正南正北線比較，因此在現(xiàn)場想了一個辦法，鎖定經(jīng)緯儀的方位，將經(jīng)緯儀的光軸掃至機(jī)架中心位置，引出光軸的投影，在望遠(yuǎn)鏡機(jī)架中間位置用劃針鋼尺刻線，即機(jī)架上的刻線與鏡筒光軸共面（圖6-7）。

圖6 刻光軸投影線

重新調(diào)整經(jīng)緯儀位置，使得經(jīng)緯儀與正南正北線共面，在機(jī)架上使用鋼尺，比較刻線和正南正北線的讀數(shù)，微調(diào)望遠(yuǎn)鏡機(jī)架底座方位使光軸刻線與正南正北線平行，即方位為南北向，電控程序標(biāo)注赤經(jīng)零位。

圖7 調(diào)整底座方位，標(biāo)定赤經(jīng)零位

2.6 調(diào)極軸

鏡筒指向南，在赤緯軸碼盤端繃十字絲，方位旋轉(zhuǎn)90 度，用經(jīng)緯儀調(diào)正十字絲回轉(zhuǎn)中心，如圖8 所示，調(diào)整經(jīng)緯儀水平，設(shè)定仰角讀數(shù)為9°35′，試穿赤緯軸孔兩端十字絲，如果方位不重合，則調(diào)整經(jīng)緯儀方位與平移；高度不重合初調(diào)：調(diào)整望遠(yuǎn)鏡南端墊鐵高度，調(diào)整經(jīng)緯儀底座高度。

圖8 調(diào)極軸

用經(jīng)緯儀穿赤緯軸電機(jī)端軸孔分劃板中心，赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)180度，再穿同一個分劃板中心，高度不重合：調(diào)整望遠(yuǎn)鏡底座南端墊鐵和經(jīng)緯儀高度重合，此時望遠(yuǎn)鏡極軸指向南天極，極軸與南北向的水平線夾角等于望遠(yuǎn)鏡安裝地點(diǎn)的緯度80°25′。

2.7 標(biāo)定赤緯零位

轉(zhuǎn)回赤經(jīng)零位，使用經(jīng)緯儀精調(diào)水平，調(diào)整經(jīng)緯儀仰角為9°35',轉(zhuǎn)動赤緯軸的鏡筒，使經(jīng)緯儀光軸穿過鏡筒光軸，這時鏡筒光軸平行于天赤道，當(dāng)前位置標(biāo)記程序?yàn)槌嗑暳泓c(diǎn)，如圖9 所示。

圖9 標(biāo)定赤緯零位

2.8 安裝部件，結(jié)束裝調(diào)，最終測試望遠(yuǎn)鏡

安裝改正鏡、CCD 相機(jī)、改正板、上下鏡筒罩等，調(diào)整鏡筒的前后平衡，完成鏡筒的密封，檢查所有部件的安裝；測試望遠(yuǎn)鏡定位、跟蹤、手動控制和自動控制等其它電氣控制項(xiàng)目。

3 結(jié)論

南極巡天望遠(yuǎn)鏡在一定程度上可以說是南極大視場高分辨望遠(yuǎn)鏡的探路者，總結(jié)南極巡天望遠(yuǎn)鏡的工作經(jīng)驗(yàn)對于后續(xù)大口徑大視場望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)場工作有重要的借鑒意義。在首臺南極巡天望遠(yuǎn)鏡的工作基礎(chǔ)上，論文討論了在南極惡劣環(huán)境下裝調(diào)的方法，通過旋轉(zhuǎn)光軸精調(diào)極軸提高南極望遠(yuǎn)鏡的使用性能；而運(yùn)輸、裝調(diào)過程中出現(xiàn)的問題，在為下一臺望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)制造等方面提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。