文|树洞档案

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前言

对于太空望远镜来说，随直径变化的比例指数是小于地面的，在空间上，大部分的制造成本是按照孔径面积比例。

另一个原因是，对于太空望远镜来说，其每周（如设计、测试）的成本比例也更大，大型天文台不能简单地根据技术和科学的要求来定义，成本也应该是设计优化的一部分。

天文台的技术规格

天文台的技术规格是在最初的设计阶段，将科学要求、操作考虑和环境因素结合成一份全面的文件，定义所有对天文台性能重要的技术措施。

这个过程可以很方便地分解为“层次”，从一般的一直分解到具体的，使用来自NASA的术语和定义，这些级别如下图所示：

除了构成设计要求支柱的科学驱动的规范外，也不能忽视望远镜试运行后运行的相关要求，在科学方面，操作要求应包括诸如望远镜操作、远程观测和科学数据处理等问题。

使用寿命、安全性、可靠性和可维护性也是一些重要的问题，在望远镜设计中经常被忽视或仅被非正式地考虑。

如果不考虑到这些因素，可能会在后期的操作阶段产生巨大的后果。相应的要求应作为第2级要求的一部分来确定。

确定望远镜所需的使用寿命并不容易，地面望远镜的设计寿命通常很长，大约为30年，并且经常继续使用相当长的时间。

一个很好的例子是山上5米高的望远镜，设计于20世纪30年代末，目前仍在运行，因此，设计为太短的寿命是不现实的，并没有考虑到望远镜使用的实际历史。

另一方面，要求不合理的长使用寿命，会迫使设计师选择技术性能目标所不要求的材料和组件，因此，在设置望远镜的日常使用要求时，必须仔细地平衡这些因素。

安全要求来自于需要保护使用和维护望远镜的人员、设备本身和望远镜周围的环境，危害应在概念设计阶段进行识别，并通过适当的设计尽可能加以消除。

当没有更安全的替代品时，在设计中必须纳入防护装置和安全装置，警告装置、安全程序和人员培训也被用于减少任何剩余危害的风险。

可靠性和可维护性是在望远镜设计中必须同时考虑的两个概念。

可靠性是指望远镜在未来继续满足性能规格的能力，可维护性是指确保其持续性能所需的维护任务的频率和复杂性。

望远镜传统上被设计为高度可靠的，但很少有明确的可靠性规范，也不总是进行正式的可靠性分析。

同样，维护计划通常只在施工期间或施工结束时进行设计，大型望远镜已经变得相当复杂，在设计中应该解决这两个问题，以便产生一个可靠的、容易维护的天文台。

误差预算

误差预算（也称为“性能预算”）是任何工程项目中最有用的设计工具，在天文台的设计中，由于误差源的多样性和这种系统的复杂性质，它们是绝对必要的。

错误预算包括在系统的各个子系统和系统的各个组件之间分配给定的性能要求，这就允许每个学科的工程师在系统工程师的监督下设计他们自己的子系统。

在项目开始时，分配是有些随意的，然后通过权衡分析、详细研究和制造公差，随着设计进展进行改进。

应为所有主要的天文台系统（如光学、指向、热、功率）制定误差预算分配，对于光学质量和指向稳定性的两个例子如图所示：

最初，误差预算是通过“自上而下”的方式分配每个潜在的误差来源来获得的。这些都将基于一阶分析、对其他项目的经验和良好的工程判断。

如果贡献的大小未知，津贴将被设置为初始最佳猜测，总结误差补偿，平衡预算，以实现总体目标，有时必须调整项目目标，使其符合工程的可行性。

大多数组件都会导致不相关的错误。这些方法可以用平方根法（rss）方法来求和，然而，一些误差来源是系统联系的，rss求和是不合适的。

例如，主镜和副镜的半径和圆锥常数是相互关联的，在将残差输入总波前误差和之前，应该分别进行平衡。

初始误差预算可作为为系统中的每个组件设置性能目标的设计指南，一个组件有时可能比最初的津贴表现得更好，或者它可能无法达到这个目标。

随着每个组件的性能得到更好的理解，预算就会“自下而上”填写，最好记录计算或测量结果，并在预算电子表格中记录每一项津贴的基础。

这样，错误预算就可以作为所收集到的工程文档的索引。

由于最初的猜测被测量和计算所取代，预算用于预测系统的整体性能，预算定期被重新平衡，津贴也被重新分配。

如果处理得当，错误预算会导致设计经济，将工程工作集中在最有用的地方，并有助于控制项目成本。

随着天文台变得越来越大和越来越复杂，上述的误差预算方法变得不够充分，因为它是经验的，不能提供寻找最优的确定性方法。

这是因为预算组件的确定是以一种受过教育但“先验”的方式完成的，而不是直接追溯到相关子系统的物理特征和行为。

此外，误差预算方法必然无法捕捉到环境或操作条件的复杂性，通常只处理平均或最坏情况下的名义操作模式。

高保真计算机建模的可用性提供了一个理想的解决方案，现在可以开发出整个系统的详细计算机模型，以模拟实际的操作条件，并探索广泛的权衡空间。

这为根据性能和成本标准的最佳配置提供了一个确定性的解决方案，使用传统的光学、数学和有限元方法，为每个相关系统生成单独的模型，然后将这些模型组合成一个集成的系统级模型。

在NGST项目的设计概念阶段，创建集成系统级模型的一种方法是基于喷气推进实验室开发的一套工具。

这些工具中的第一个是IMOS，它的意思是“光学系统的集成建模”。

IMOS是一个函数或子例程的集合，允许分析人员在Matlab计算环境中组合必要的子系统模型。

22Matlab是一种流行的商业代码，用于通用的、面向矩阵的数值分析，它还包括一套用于控制系统分析的强大工具。

系统工程的工具，由喷气推进实验室开发的工具是MACOS，代表“光学系统的建模和控制”。

MACOS是一个提供几何和物理光学能力的分析代码，使其在望远镜设计应用中具有独特用途的其他特性包括支持分段和可变形光学，以及允许其他代码访问所有能力的编程接口。

使用这些工具，分析人员可以在各种操作条件下快速确定系统性能，并进行参数化设计优化。

此外，这些集成模型是模拟抖动和波前控制的强大工具，以及分析特定现象，如热瞬变、微动力捕捉和粘滑事件的强大工具。

设计可测试性和宽性

设计的可测试性和宽恕性是在比较各种建议的设计时应考虑的两个重要特性。

可测试性是指一个给定的设计在最终组装（或部署，对于太空望远镜）之前进行验证的能力。

这一因素对于无法在发射前进行彻底测试的大型太空望远镜，或无法安装在偏远地点的非常大型的地面望远镜尤为重要。

给定两个具有相同性能的设计选择，应该优先考虑可以在商店中或在发布前进行最佳测试的一个。

设计免除是指给定设计从设计或制造错误、环境的意外变化或操作过程中的损坏或故障中恢复的能力。

一种健壮、灵活的方法，可以在广泛的条件下工作，以补偿潜在的问题，最终可能比需要广泛测试以确保其有效性的高度优化的设计更具成本效益。

由于望远镜的孔径直径是影响天文台成本最大的单一参数，因此了解它对科学性能的影响是很重要的。

孔径直径通过灵敏度和空间分辨率两个方面影响科学性能，正如我们所看到的，灵敏度最好的描述为达到给定的信噪比所需的积分时间。

积分时间和通量极限对孔径直径的依赖关系汇总见表：

在空间中，或者在红外的地面上，图像接近衍射限制，由于孔径更大而产生的背景限制扩展源观测的增益是最令人印象深刻的。

这是因为收集到的通量的增加与减少的图像大小相结合，从而减少了背景的贡献。

为了了解重力是如何影响或望远镜的固有频率尺度与望远镜大小的关系，将望远镜结构建模为一个均匀截面的简单光束是很有指导意义的。

结构偏转有两个起源：由于支撑光学的重量引起的点载荷和由于结构本身的质量引起的自偏转。

根据上述例子，表中给出了影响望远镜的各种因素的比例规律：

成本模型

直到20世纪80年代早期，传统望远镜的成本一直遵循一个建立良好的幂律，作为孔径直径的函数。

如果当时使用的技术至今仍在使用，那么8到10米级的望远镜将是负担不起的。

但幸运的是，一系列的技术进步使得以较低的成本建造更大的望远镜成为可能：掌握非球面计算过程带来了更快的初选（因此更短的望远镜和更小的圆顶）；

更好的测试方法和计算机抛光将光学计算过程从黑色艺术转变为确定性科学；

使用应力镜或应力圈技术大大减少了抛光时间；使用alt-az支架而不是更大的。

总结

基本的天文和工程数据，目前现存的主要望远镜的列表，以及广泛的词汇表。

我们希望这篇文章将成为天文学家和工程师的基础，他们会面临更大的太空望远镜，无论是在太空还是在地面上，都需要在知识的前沿工作。

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