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【中国科学报】顾伯忠:铸造利器 追星逐日

2024-07-10 中国科学报 沈春蕾
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顾伯忠?受访者供图

郭守敬望远镜(LAMOST)、1米红外太阳望远镜、南极巡天望远镜AST3……说起这些望远镜,中国科学院南京天文光学技术研究所(以下简称南京天光所)研究员顾伯忠如数家珍,因为他曾先后参与了这些望远镜的研制工作。

从2000年至今,顾伯忠数十年如一日,长期坚持在科研一线工作,从事天文望远镜总体及机械结构的研究,成为我国天文仪器结构领域的主要学术带头人之一。近期,顾伯忠获得第五届中国科学院“科苑名匠”称号。

“我手里还有几个正在做的望远镜项目,等我把这些项目都干完了,就可以踏实退休了。”日前,顾伯忠在接受《中国科学报》采访时感叹到,“干了几十年望远镜工程,还真有点舍不得!”

LAMOST建设中第一座里程碑

“LAMOST项目MA机架是我承接的第一个望远镜大科学装置工程任务,也是LAMOST项目中最大、最复杂的高精度机械系统。”顾伯忠告诉《中国科学报》,“2000年以前,我只研制过1米的科普望远镜,还没有做过6米的大望远镜,对我来说,技术难度的跨越非常大。”

MA机架是LAMOST的关键部件,必须具备精确对准天体并克服地球自转精确跟踪天体的功能。“机架方位轴系的直径达到8米,为寻找有研制能力的机床厂商,我们花了近两年时间。”顾伯忠说。

经多方了解,武汉的一家机床企业被选入意向合作单位。顾伯忠说:“这家企业有加工直径16米的数控机床的经验,我们要做的8米直径的圆盘结构转台在其能力范围内。”

在解决了8米液压转台的研制难题后,顾伯忠提出了片式端面摩擦驱动技术方案。该方案以简单的加工工艺、低廉的制造成本,实现了超高精度驱动,节约了本就捉襟见肘的项目经费,解决了高度轴系驱动的技术问题。

“LAMOST项目MA机架采用了液压轴承、摩擦驱动、计算机全自动控制等技术,是国内结构尺寸最大、精度最高的地平式双轴跟踪机架。”顾伯忠表示,他一边学习大型光学望远镜的先进技术,一边尝试用所学知识解决遇到的种种技术和工艺难题。

最终,LAMOST项目MA机架各项技术指标均达到设计要求,其主要技术指标指向精度优于5角秒,跟踪精度优于0.34角秒,跟星实测跟踪精度达到了0.1角秒的超高精度,与国外8至10米的望远镜相当。

顾伯忠表示,MA机架是南京天光所承接的LAMOST项目中第一个出所前往台址装调的部件。这项工作成果成为LAMOST项目建设中的第一座里程碑。

同期承接两个望远镜项目

2002年,在LAMOST项目MA机架的研制工作最紧张时,顾伯忠作为项目组组长还承接了“973”项目的子项目——中国科学院云南天文台1米红外太阳望远镜光机主体的研制任务。

为了不影响LAMOST项目进度,接下任务的顾伯忠只能牺牲休息时间来研究设计太阳望远镜。

“当时遇到的最大困难,是每天都需要在两个截然不同的望远镜项目中来回转换思维。”顾伯忠说。

在1米红外太阳望远镜的研制中,顾伯忠提出逆向补偿的技术方案,解决了在复杂温度环境下,太阳望远镜主副镜位置的精确定位和保持难题。他还采用钢带摩擦驱动创新技术方案,成功实现了高精度跟踪驱动,有效降低了望远镜的研制成本。

2010年,1米红外太阳望远镜完成了现场安装调试。顾伯忠自豪地介绍,这台望远镜获得的太阳光球高分辨率图像达到目前太阳望远镜高分辨率成像的国际一流水平。该望远镜随后成为国际三大太阳观测主干设备之一,取得了丰硕的观测成果。

关键零部件必须实现国产化

多年参与天文望远镜的研制经历让顾伯忠意识到,关键零部件必须实现国产化。他列举了一个中法国际合作项目——俄罗斯莫斯科大学2.5米望远镜研制的例子。

传统的望远镜传动有皮带传动、蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、摩擦传动等。这些传动技术有一个共同缺点,即传动链的存在使得刚度降低,同时,传动误差的存在使得传动精度受限,无法满足现代大口径天文望远镜越来越高的精度需求。

作为项目组组长的顾伯忠决定在该望远镜中采用直接驱动技术,而当时国内尚无应用先例。让他下定决心的理由是直接驱动没用传动链,驱动刚度和精度可以大幅度提升,“必将成为望远镜跟踪驱动的发展趋势”。

“我们边学边用,最终掌握了直接驱动技术,使轴系驱动精度上了一个新台阶,填补了国内望远镜跟踪驱动技术的一项空白。”顾伯忠说。

另外,该望远镜的准直调整需要对副镜进行空间五自由度调整,高精度五自由度或六自由度调整机构是实现主动准直所必备的执行部件。

“当时国内没有满足该精度要求的产品,合作公司的产品也无法满足载荷要求,需要定制。尽管合作方推荐了备选的公司,但在不久后,那家公司就破产了,我们只拿到了初步的设计方案。”顾伯忠说,“幸亏合同是按阶段付款,损失不大。但这件事也提醒我们,向国外公司订货,可能会出现经费和时间上的双重风险,因此,能否自己掌握核心零部件的研制很关键。”

最终,顾伯忠提出满足望远镜副镜准直调整需要,且易于实施、串并结合的五维运动机构技术方案。在团队成员齐心协力攻关下,运动机构的研制成功完成。该运动机构不仅可以满足这架望远镜的需要,还应用于其他望远镜。

“天文学研究依靠观测和数据,尤其是第一手的观测数据非常重要。为了支撑我国天文学研究,我们有责任致力于大型天文望远镜的研制,并且要把关键核心技术牢牢掌握在自己手中。”顾伯忠说。

(原载于《中国科学报》?2024-07-10?第3版?综合)
打印 责任编辑:梁春雨

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