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第十期:光学望远镜特辑之南极暗宇宙巡天望远镜KDUST

已有 1023 次阅读 2020-12-15 12:46 |个人分类:泰利斯科普|系统分类:科普集锦

欢迎来到泰利斯科普第十期!

上期内容推送之后,收到了几位老师的鼓励和支持,同时指出了几点不足和建议,在次表示衷心的感谢。本意也只是想尽吾所学,让大家更多的了解这个行业,了解天文望远镜究竟为何物。

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本期我们来介绍中国南极天文台建设的主干设备之一——南极暗宇宙巡天望远镜KDUST(Kunlun Dark Universe Survey Telescope)。在这个碎片化信息爆炸加之快节奏生活模式的时代,人们似乎对图片或视频的敏感度远大于文字描述。既然是这个时代的“特色”,我们也不落俗,先上张效果图来感受下这个在未来将位于南极之巅的大科学装置的魅力。

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图1 KDUST位于南极冰穹A的效果图

下面我们分别从背景、光学子系统、结构子系统、控制子系统和科学目标几个方面来介绍。

一、KDUST背景

继南极天文取得阶段性成果的基础之上,南极天文技术中心又为南极天文台的发展做了更长远的规划。中国南极天文台将充分利用南极昆仑站现有基础设施,包括现役几台望远镜、远程控制系统、支撑服务系统等,以及未来将建设的KDUST和南极太赫兹望远镜DATE5。南极天文台建成之后将由中国科学院紫金山天文台控制运行。

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图2 南极天文台现有基础设施——CSATR、AST3-1和AST3-2分别在第九期和第十一期中已有介绍,KLAWS-2G是气象塔,PLATO-A是南极能源箱(下期会单独介绍)

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图3 南极天文台现有基础设施——生活舱,32次科考队员杨世海(左,南京天光所)和于策(右,天津大学)

KDUST是经过南极天文中心长时间不断优化出来设计而提出来的,已经被纳入了“国家重大科技基础设施建设中长期规划”,曾是国家“十二五”期间拟建设的16个科技基础设施建设项目之一。但由于种种原因,目前该项目已进入“十四五”规划立项的关键时期,希望南极天文台建设早日进入正式实施阶段。

 

二、KDUST光学子系统

KDUST望远镜口径2.5米,视场1.5°,为了充分利用冰穹A极好的视宁度条件,望远镜设计安装在15米高的支撑塔上。在光学波段,根据已有的CCD相机技术,望远镜可以达到视宁度限制的全视场0.3角秒的像质,红外波段可实现大视场衍射成像观测。KDUST的光学系统布局如下图所示:

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图4 KDUST光学系统布局

KDUST光学系统共包含7块光学镜面,其中3个非球面镜和4块折叠反射平面镜。为了防止微小冰晶沉积在镜面表面,在进口瞳孔位置加装有封窗玻璃。

表1 KDUST光学镜面

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考虑到南极极低温环境和长距离运输问题,光学镜面应具有良好的热稳定性和轻的镜面结构。毕竟极夜零下80的超低气温和约8855海里(1海里=1.852公里)海运+1250公里的陆运颠簸对精密仪器是个极大的考验。

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图5 海运+陆运

三、KDUST结构子系统

望远镜结构是进行指向和跟踪的关键部件,是连接其他子系统的主体框架。结构系统将光学子系统和控制子系统连接起来,形成了一个完成的观测系统。KDUST结构子系统主要由方位轴模块、高度轴模块、焦平面模块和热控模块组成,共13个部件。

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图6 KDUST结构子系统模型

方位轴模块可使望远镜绕垂直方向进行正负270度的精确旋转,满足360度场观测的需求。方位轴模块包含轴系、驱动和角编码器3个组件,进而组成定位精度可达0.1角秒的闭环控制系统。

高度轴模块则使望远镜在绕水平方向进行0~90度范围内进行精确旋转,配合方位轴满足360度场观测的需求。高度轴同样包含组成闭环控制系统的轴系、驱动和角编码器3个组件。

焦平面模块包含偏置导向组件、偏离器组件、仪器更换组件和仪器外壳组件。

热控模块由编码器热控组件、齿轮热控组件和仪表室热控组件组成。

 

四、KDUST控制子系统

控制系统(TCS)是望远镜整个系统的核心,它将对望远镜的局部操作进行全面控制。控制算法采用经典位置+速度+电流的三闭环控制,实现低扰动和高鲁棒性的目标。

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图7 三环控制策略

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图8 KDUST控制系统结构

 

五、KDUST科学目标

众所周知,没有脱离科学目标的科学装置。在科学目标方面,KDUST主要面向当前物理学和天文学最重要也是最迫切需要解决的21世纪重大科学问题——暗物质和暗能量、高红移宇宙、恒星与星系的形成和演化以及系外行星和生命起源等。

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科学目标的东西我也不专业,就不在这打肿脸充胖子了。

总之,南极天文台的建设不但有着重要的科学意义,同样有着重要的战略意义。例如在南极冰穹A开展空间碎片监测预警、实现南北半球的全天空覆盖、带动太赫兹和红外成像技术的发展、为耐低温大口径望远镜提供技术储备等等。而KDUST是南极天文台大科学装置建设的重点之一。

 

本期内容就到这里,我们下期再见!限于作者水平有限,如有错误,欢迎各位批评指正。

声明:部分图片来源网络,如有侵权,还请联系作者删除!


参考资料:

[1] Zhu Y , Wang L , Yuan X , et al. Kunlun Dark Universe Survey Telescope[C]// Ground-based & Airborne Telescopes V. Ground-based and Airborne Telescopes V, 2014.

[2] Li Z , Yuan X , Cui X . Alignment metrology for the Antarctica Kunlun Dark Universe Survey Telescope[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2015.

[3] Toni F . China is latest country to pursue astronomy in Antarctica[J]. Phys. Today, 2011.

[4] Preliminary design of the Kunlun Dark Universe Survey Telescope (KDUST)[J]. Proceedings of the International Astronomical Union, 2013, 8(S288):271-274.

[5] gong-bo, zhao, hu, et al. probing dark energy with the kunlun dark universe survey telescope[J]. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 2011.

[6] 李正阳. 南极大视场高分辨望远镜光学系统和装调技术研究[J]. 中科院南京天光所知识成果, 2014.

[7] 张玉龙. KDUST控制系统电枢绕组故障的检测与诊断策略研究[J]. 中科院南京天光所知识成果, 2016.

[8]南极天文技术中心-http://aatc.niaot.ac.cn/kdust1?p_p_id=56_INSTANCE_mK0E&p_p_lifecycle=0&p_p_state=normal

[9]中国南极天文台-百度百科


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1 孙弘

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