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南京天光所科研人员在大型地基光学望远镜三维隔震系统研究方面取得新进展

  地震灾害是国际上天文台规划和望远镜结构建设迫切需要重视的一个重要安全问题。大型光学观测站通常都建在能为科学设备提供最佳大气条件的地方。这些地方,如夏威夷和智利,都可能面临着大地震威胁。20061015日,一场6.8级大地震损坏了凯克Keck天文台的两台望远镜,导致观测中断数周。抗震设计中的阻尼和强度不足以及方位轴径向油垫上缺少分离机构是Keck望远镜的关键设计缺陷之一。随后Keck项目组组织了一项抗震恢复措施的可行性研究,审查了加强望远镜保护的几种方案,目的是尽量缩短大型地震事件后望远镜恢复运行的时间。因此,地震灾害造成的损坏风险是任何大型望远镜设计建设的重要考虑因素之一,尤其新一代超大望远镜相对于较小的传统望远镜在面临地震危害时会大大加剧损坏风险,需要创造性的解决方案来提供抗震保护。

  近年来,大型地基光学望远镜主要采用的隔震系统可以分为二维隔震和三维隔震,美国巨型麦哲伦望远镜GMT和美国三十米望远镜TMT都计划采用二维隔震系统方案。二维隔震是由仅在水平面内运动的隔震装置组成,而在垂直方向没有隔震。二维隔震系统因为在结构的垂直方向上没有隔震效果,这不可避免地使得垂直地面的激励在很大程度上不能衰减。而三维隔震系统涉及沿水平面内和垂直方向的隔震,能从根本上改进完善隔震问题和地震隐患。尽管如此,对望远镜结构的初步分析表明,即使在没有垂直隔震的情况下,仅二维隔震系统的性能也能有效地降低地震影响,包括降低垂直和水平耦合作用。 

  欧洲极大望远镜E-ELT采用了三维隔震系统,即使按照现今的标准,三维隔震仍然是一项新兴技术,因为隔离垂直加速度并同时在正常操作期间提供足够的刚度是非常困难的。在过去几年中,美国布法罗大学等研究机构取得了重大进展,这证明了该技术的有效性,但该方法尚未达到成熟阶段和广泛实施。因此,为大型望远镜实施这样一个系统仍然面临挑战。 

  为了满足大型地基光学望远镜的抗震要求,中国科学院南京天文光学技术研究所胡守伟博士等科研人员设计了具有独具特点的基于液压阻尼技术的三维隔震系统,该系统主要由望远镜液压支撑系统中的附加被动元件组成,该系统能够感知临界震动,并在达到临界加速度值时启动整个减震系统,将载荷限制在可接受的范围内。有限元分析结果表明:一方面,没有隔震系统的望远镜系统会发生明显的输入震动的放大响应,其对输入地震波的放大率在NS方向为142%EW方向为145%UD方向为369%。另一方面,与输入地震波相比,隔震系统可以抑制响应加速度,其响应函数在NS方向为22%EW方向为38%UD方向为4%。上述结果验证了该三维隔震系统具有良好的隔震性能,能够满足大型地面光学望远镜的抗震设计要求。 

  相关研究成果已于20223月发表在《光学精密工程》期刊上。 

  该项研究得到国家自然科学基金(U2031207, U1931126)及国家重大科技基础设施LAMOST望远镜等项目的资助,未来还有望应用在大型移动液压转台以及重型运输车辆路面减振等方面。

1 水平向滑移减震系统

2 垂直向液压阻尼减震系统

3 30米巨型望远镜概念模型及液压支撑

4 水平向不包含滑移减震系统与包含滑移减震系统有限元分析效果对比

5垂直向阻尼隔震系统在JMA Kobe波和JMA Tomakomai波两种情况下的减震效果