首台南极巡天望远镜的现场装调

张毅

（1、中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，江苏南京 210042 2、中国科学院天文光学技术重点实验室（南京天文光学技术研究所），江苏南京 210042）

由于具有特殊的自然条件和重要的战略地位，南极大陆一直是世界各国科研考察的重地，而Dome A 位于南极内陆冰盖的最高点，是世界上最好的天文望远镜观测点之一。南极现场严酷的自然环境、紧张的工作时间以及人力的缺乏都限制了高精度仪器在Dome A 的正常安装和调试工作，如何高效同时又保证精度，AST3 的现场装调工作经验具有非常重要的意义。

南极巡天望远镜(AST3)是赤道式望远镜，其原理是，望远镜筒绕着与地轴平行的轴线，按地球自转的反方向旋转，以抵消地球自转。南极巡天望远镜是由三台有效通光口径500mm，主镜为680mm 的望远镜组成，配置了目前国际上最大的单芯片10K ×10K 的CCD 相机。其中第一台望远镜（AST3-1）于2012年1 月22 日在4 位天文科考队员的协同努力下成功安装在Dome A（图1）。

图1 望远镜外观图

1 南极巡天望远镜现场装调的难度

1.1 南极运输距离远，时间长，现场装调条件恶劣，工作时间短

从中山站前往Dome A 的近二十天里，由于坚冰使得雪撬颠簸异常，致使一吨多重的机架底座下部的液压减振器被震坏，机架发生滑移，为此被迫在路上停留一天，重新更换机架的减振垫，再次固定机架。

Dome A 海拔高达4000 多米，含氧量相当于高原的5000米左右，缺氧造成失眠、头痛、呼吸困难等高原反应，使得人员动作迟缓，反应能力下降，在不到二十天的时间内需要完成望远镜的安装调试工作，时间紧，人员精神压力大；1 月份气温在零下30 到40 度左右，高寒使得人员需要穿着厚重的工作服和工作鞋，佩戴棉帽、面罩、手套和墨镜等防护用品，在某些特殊工作状态，例如空间狭小安装困难时，就需要将厚手套取下进行操作，多处皮肤与金属接触而造成冻伤。

1.2 装调望远镜的方法特殊，对运行、装调的可靠性要求高

装调赤道式望远镜最重要的步骤就是调极轴，而装调望远镜现场正处在南极极昼中，无法采用对星的方法对望远镜进行极轴调整，极轴的调整精度会影响望远镜的指向和跟踪情况，对于大视场望远镜的影响主要体现在跟踪上，长时间的曝光周期，跟踪不稳定会导致像斑的弥散，降低望远镜的成像质量，要保证极轴指向南天极，使得南极巡天望远镜达到设计要求，现场的光机电装调以及极轴调整的方法是运行可靠性的保证。

高海拔、高寒使得Dome A 成为无人区，望远镜采用无人值守远程遥控的工作方式，装调完成后一旦出现机械故障将可能无法即时解决，为此，在国内装配调试时，配合面多采用定位销或定位台阶面的方式对部件进行定位处理，以便于在现场快速、可靠的定位安装；在某些关键的部位，安装十字分划板，例如在主镜室中心孔位置安装分划板，在国内装调好分划板的位置并固定，与主镜室一起装箱运输，现场安装好就能保证与国内装调的精度相同；为了保证完好的将在国内装调好的光学部件运输到南极，采用了大块的、特定形状的泡沫作为光学部件与包装箱内的减振，同时在包装箱底部安装了液压减振器，使用绳索与集装箱固定的方式，保证了光学部件运输的可靠性，减少了现场光学、机械的调整时间。因此，装调的可靠性很大部分起决于在国内的装调精度和运输过程的可靠性，如果在现场再进行大量的光学、机械调整工作，将使得按时完成望远镜的装调变得非常困难。

2 装调方法

2.1 平整场地，标定平台架南北线

使用雪地车反复碾压场地2-3 小时，将安装位置的冰雪压实，在场地中央使用太阳投影法标定南北线，南北线用铁钉栓线的方法固定在雪地上。铺装木板，将平台架安放于木板上，并根据南北线的调整平台架的位置，使得平台架的中心线与南北线基本平行。粗调平台架的水平，低的方向使用冰雪重新垫高塞实。

2.2 拆箱吊装、装配望远镜镜筒

拆箱检查望远镜机架、主镜等，将主镜室和副镜室组装到位，镜筒配平衡后整体吊装于1.5m 高的平台架上面，并使得望远镜底座中心线与平台架中心线初步吻合，由于平台架上安放了一吨多重望远镜，使得平台架的水平产生变化，因此需重新调整平台架上底板的水平，通过调整平台架与底板之间的调节螺钉实现水平粗调。上电测试望远镜电气控制状态为装调做准备。

2.3 装调望远镜机架东西方向水平

使用水平仪，通过调整望远镜底座上的垫铁高度粗调机架东西方向水平。在望远镜东边架设测微准直望远镜，校正测微准直望远镜水平，瞄准望远镜赤纬轴孔分划十字线，然后旋转赤经轴180 度，再瞄同一分划十字丝，如果有偏差，按需要旋转赤经或调整测微准直望远镜的方位、高度，重复以上步骤至赤纬轴与测微准直望远镜同轴，即望远镜东西方向水平（图2）。

图2 装调机架东西方向水平

2.4 光学检查望远镜光轴

2.4.1 测微准直望远镜光轴与赤纬轴轴线垂直

在距望远镜镜筒前端约50cm-100cm 处架设测微准直望远镜，使用电控锁定赤经轴，用微准直望远镜穿主镜中孔分划板（十字丝），翻转赤纬轴180 度，调焦再穿主镜中心十字丝，如果有偏差，则调整微准直望远镜方位和平移，反复多次，保证准直镜穿主镜中孔十字丝无偏，即校正测微准直望远镜光轴与赤纬轴轴线垂直。如图3 所示。

图3 准直镜光轴与赤纬轴垂直并检查主镜反射像

2.4.2 测微准直望远镜检测主镜反射像

测微准直望远镜镜头前绷十字丝，用测微准直望远镜调焦找该十字丝通过主镜的反射像，如果反射像偏离中心，则调节主镜室后部支撑使得主镜产生不同程度的倾斜，使得十字丝的反射像居于测微准直望远镜中心。在调整后，主镜室分划板十字丝与测微准直望远镜中心可能产生误差，重复步骤2.4.1，反复检查准直镜光轴与赤纬轴垂直度，直至反射像、主镜室分划板十字丝与准直镜同轴。

2.4.3 测微准直望远镜穿轴线，并检查改正镜与改正板的反射像

在十叶架（焦面）中孔位置安装分划十字丝，用微准直望远镜分别穿主镜室十字丝和焦面十字丝，翻转赤纬轴180 度检查，如果焦面十字丝有偏差，则平移十叶架，反复多次后，两个十字丝与准直镜同轴。如图4 所示。

图4 准直镜光轴穿机械轴线

拆下焦面分划十字丝，安装改正镜，检测准直镜前的十字丝在改正镜上的反射像，调整改正镜倾斜使反射像居中。调整改正镜倾斜有两种方法：当调整量较大时，则松开十叶架中筒与叶片的紧固螺钉，调节中筒倾斜到位后再拧紧，在前期国内调试时即用此方法；当调整量较小时，在改正镜与中筒联接的法兰上作螺纹孔，用螺钉顶压法兰面的方法紧固改正镜，并使其产生微量倾斜。安装改正板，检查十字丝反射像居中；完成后，即镜筒光轴与机械轴线同轴（图5）。

图5 检查改正镜、改正板反射像

2.5 标定赤经零位

2.5.1 准备工作

在望远镜后部的能源仓（外观类似集装箱）的顶部使用太阳投影法，在太阳中天时作正南正北线，划线的位置应尽量与望远镜镜筒轴线投影面靠近。拆下改正板、改正镜，装上焦面分划板（十字丝），将镜筒重新配平衡，测微准直望远镜更换为经纬仪，经纬仪放在测微准直望远镜支架上并使用压板压住经纬仪底座，可方便调节经纬仪平移和高度。

2.5.2 穿光轴，光轴引线，标定赤经零位。

调整经纬仪穿焦面十字丝和主镜室十字丝，但还是不能方便的与正南正北线比较，因此在现场想了一个办法，锁定经纬仪的方位，将经纬仪的光轴扫至机架中心位置，引出光轴的投影，在望远镜机架中间位置用划针钢尺刻线，即机架上的刻线与镜筒光轴共面（图6-7）。

图6 刻光轴投影线

重新调整经纬仪位置，使得经纬仪与正南正北线共面，在机架上使用钢尺，比较刻线和正南正北线的读数，微调望远镜机架底座方位使光轴刻线与正南正北线平行，即方位为南北向，电控程序标注赤经零位。

图7 调整底座方位，标定赤经零位

2.6 调极轴

镜筒指向南，在赤纬轴码盘端绷十字丝，方位旋转90 度，用经纬仪调正十字丝回转中心，如图8 所示，调整经纬仪水平，设定仰角读数为9°35′，试穿赤纬轴孔两端十字丝，如果方位不重合，则调整经纬仪方位与平移；高度不重合初调：调整望远镜南端垫铁高度，调整经纬仪底座高度。

图8 调极轴

用经纬仪穿赤纬轴电机端轴孔分划板中心，赤经轴转180度，再穿同一个分划板中心，高度不重合：调整望远镜底座南端垫铁和经纬仪高度重合，此时望远镜极轴指向南天极，极轴与南北向的水平线夹角等于望远镜安装地点的纬度80°25′。

2.7 标定赤纬零位

转回赤经零位，使用经纬仪精调水平，调整经纬仪仰角为9°35',转动赤纬轴的镜筒，使经纬仪光轴穿过镜筒光轴，这时镜筒光轴平行于天赤道，当前位置标记程序为赤纬零点，如图9 所示。

图9 标定赤纬零位

2.8 安装部件，结束装调，最终测试望远镜

安装改正镜、CCD 相机、改正板、上下镜筒罩等，调整镜筒的前后平衡，完成镜筒的密封，检查所有部件的安装；测试望远镜定位、跟踪、手动控制和自动控制等其它电气控制项目。

3 结论

南极巡天望远镜在一定程度上可以说是南极大视场高分辨望远镜的探路者，总结南极巡天望远镜的工作经验对于后续大口径大视场望远镜现场工作有重要的借鉴意义。在首台南极巡天望远镜的工作基础上，论文讨论了在南极恶劣环境下装调的方法，通过旋转光轴精调极轴提高南极望远镜的使用性能；而运输、装调过程中出现的问题，在为下一台望远镜设计制造等方面提供了宝贵的经验。