專利名稱：適用于月球地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種軸系結構，具體涉及一種適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構。本發(fā)明受國家自然科學基金資助?；痦椖颗鷾侍?0973024。
背景技術：
天文觀測離不開天文望遠鏡，但用天文望遠鏡進行天文觀測又受到較多的環(huán)境因素的影響，其中最主要的是大氣湍流和散射，影響望遠鏡的成像質量。所以，空間望遠鏡應運而生，空間望遠鏡在大氣層之上，不再受到大氣擾動的影響，如哈勃望遠鏡，它的清晰度為地面望遠鏡的10倍。但空間望遠鏡也有其自身的不足，一是空間望遠鏡漂浮在空中，難以實現(xiàn)精密定位、精密跟蹤以及望遠鏡維護等工作；二是容易受到空間碎片的撞擊導致?lián)p毀的危險。隨著探月工程的不斷進行，以及天文學家對天文望遠鏡成像質量要求的不斷提高，天文學家提出在月球上安裝天文望遠鏡，進行天文觀測和研究。在月球上安裝望遠鏡進行天文觀測，既沒有地球望遠鏡受大氣層抖動，影響成像質量的問題，又避免了空間望遠鏡在空間漂浮不穩(wěn)定的缺點。月球望遠鏡安裝在月球上，有一個穩(wěn)定的根基，有利于望遠鏡的裝調和維護。根據(jù)規(guī)劃，中國在未來10年內，將建成月球天文臺。其中，地平式天文望遠鏡是首選的望遠鏡類型。地平式天文望遠鏡主軸通常指望遠鏡的方位軸和高度軸，如圖I所示。方位軸5垂直指向天頂，整個望遠鏡繞方位軸5旋轉。望遠鏡鏡筒I通過高度軸2支承在叉臂3上，鏡筒繞高度軸2旋轉。高度軸與方位軸垂直正交，通過方位軸和高度軸的旋轉就能實現(xiàn)望遠鏡對天上星體的跟蹤觀測。但月球的特殊環(huán)境，使得天文望遠鏡上常用的軸系支承軸承在月球望遠鏡上無法正常使用。在月球上安裝天文望遠鏡主要存在以下的技術問題
①.月球上夜晚的溫度為_183°C，在如此超低溫的環(huán)境下，液體靜壓軸承根本無法使用，因為目前還沒有能夠用于如此低溫的液壓油。接觸式的機械軸承，在如此超低溫的環(huán)境下，也會出現(xiàn)問題。主要是滾動體鋼球與內外滾圈之間的接觸狀態(tài)和滾動性能在超低溫的狀態(tài)下發(fā)生變化，使得鋼球的滾動不連續(xù)，以及滾動狀態(tài)和滾動性能不一致。致使望遠鏡不能穩(wěn)定的跟蹤被觀測天體。②.月球自轉的速度是地球的1/14，所以，月球上望遠鏡的轉動速度非常慢，僅為0.55" /s左右。如果用接觸式機械軸承，在月球上_183°C的超低溫環(huán)境下，軸承難以得到很好的潤滑，使得滾動鋼球在內外圈滾道間發(fā)生低速爬行和突跳現(xiàn)象，導致望遠鏡不能平穩(wěn)的運行。③.超低溫環(huán)境下機械軸承大多采用聚四氟乙烯固體潤滑，但固體潤滑在月球高真空和強輻射環(huán)境下，性能不穩(wěn)定，一旦涂層消耗或脫落，摩擦副就會立即失效，且都是不可修復的，無法滿足天文望遠鏡長期工作的要求。④.月球表面是厚厚一層月塵顆粒，這些月塵顆粒的平均直徑為40 130微米，粒子摩氏硬度介于7 9級，比鋼銼的硬度還高。由于月球的低重力(是地球的六分之一)和近乎真空的環(huán)境。在這種微重力和高真空環(huán)境下，這些月塵顆粒很容易漂浮起來，一旦掉入軸承，會嚴重污染液壓油，使得軸承嚴重受損，望遠鏡上常用的液體靜壓軸承和機械軸承根本無法使用，無法實現(xiàn)望遠鏡對天體的精密跟蹤。在月球超低溫環(huán)境下，機械滾動軸承內外圈和滾動體之間的接觸狀態(tài)、摩擦性能、潤滑脂性能等都要發(fā)生變化，這些變化影響軸系的旋轉精度和制約軸系旋轉精度的進一步提聞。為了解決這一問題，美國月球車對其上面使用的機械軸承采用密封加熱的方法。月球車上所使用的軸承尺寸不大，且對支承軸承沒有精度要求，用防塵罩的方法可以滿足要求。但天文望遠鏡軸承的尺寸很大，且需要長時間的精密穩(wěn)定跟蹤，密封加熱比較困難，，用加防塵罩的方法無法保證望遠鏡對支承軸承的要求。而且月球上能源供應很困難(目前美國的月球探測器上使用的太陽能、充電電池和同位素電池，只能保證小型儀器的加熱)。由于月球的自轉周期為27.3天，所以月球望遠鏡的跟蹤速度非常低，約為0.55" /S。在這樣超低速運行時，再加上超低溫的影響，由于機械軸承動、靜摩擦力矩的變化，使得旋轉軸系發(fā)生嚴重的低速爬行和突跳現(xiàn)象，導致望遠鏡很難獲得高精度的跟蹤。超低溫環(huán)境下機械軸承大多采用聚四氟乙烯固體潤滑，但固體潤滑在月球高真空強輻射環(huán)境下，性能不穩(wěn)定，一旦涂層消耗或脫落，摩擦副就會立即失效，且都是不可修復的。因此，固體潤滑的使用壽命較短。阿波羅月球車軸承采用的是陶瓷軸承加固體潤滑，但只要求其能夠正常使用72小時，無法滿足天文望遠鏡長期工作的要求。

發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有技術的以上問題，本發(fā)明將提供一種適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，該技術方案利用月球上超低溫的條件，提出采用高溫超導磁懸浮作為月球望遠鏡軸系的支承結構，是一種零能耗、自穩(wěn)定的軸系的支承結構。本發(fā)明省去復雜的制冷系統(tǒng)；同時，又解決了常規(guī)軸承在月球望遠鏡軸上無法使用的難題，使得月球望遠鏡實現(xiàn)高精度的天體跟蹤成為可能。完成上述發(fā)明任務的技術方案是，一種適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，所述的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，包括望遠鏡方位軸支承結構和高度軸支承結構；該方位軸支承結構和高度軸支承結構分別由轉子和定子組成，其特征在于，所述的方位軸支承結構的定子和高度軸支承結構的轉子上分別設有永磁體；所述的方位軸支承結構的轉子和高度軸支承結構的定子上分別設有與永磁體相對應的超導體。本發(fā)明的上述方案，是根據(jù)月球上的環(huán)境特點，提出的一套零能耗、自穩(wěn)定的高溫超導磁懸浮支承結構，用于望遠鏡的方位軸和高度軸的支承。高溫超導磁懸浮支承由高強度銣鐵硼永磁體和釔鋇銅氧高溫超導體組成，永磁體和超導體之間的磁斥力起承重支承作用，超導體特有的磁通釘扎力起穩(wěn)定作用，不需要任何外部能量支持和控制，就能夠實現(xiàn)望遠鏡的完全懸浮。超導體和永磁體之間有5毫米左右的間隙，徹底解決了常規(guī)軸承在月球望遠鏡中使用所面臨的困難。以上所述的高強度銣鐵硼永磁體和釔鋇銅氧高溫超導體，雖然從未用于天文望遠鏡軸系支承結構，但均已經商品化?？梢圆捎觅徺I使用。本發(fā)明采用高溫超導磁懸浮代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式機械軸承和液體靜壓軸承。高溫超導磁懸浮是一種自穩(wěn)定系統(tǒng)，超導體和永磁體之間的磁斥力起支承承重作用，超導體特有的磁通釘扎力起穩(wěn)定作用。不需要任何外部能量支持和控制，就能夠實現(xiàn)望遠鏡的完全懸浮。磁懸浮支承的轉子和定子之間不接觸，通常有5毫米左右的間隙，在月球超低溫的環(huán)境下，不會發(fā)生運動不靈活的問題，也不會出現(xiàn)低速爬行的問題，不存在由于潤滑不佳而產生的問題。同樣，由于有5毫米左右的間隙，對月球表面的塵埃也不敏感。徹底解決了常規(guī)軸承在月球望遠鏡中使用所面臨的困難。另外，由于望遠鏡工作時的環(huán)境溫度，是月球夜晚的超低溫(_183°C)，低于高溫超導體的臨界溫度，所以，在月球夜晚環(huán)境下，高溫超導磁懸浮不需要制冷系統(tǒng)，就能夠實現(xiàn)超導懸浮，使得懸浮系統(tǒng)的結構非常簡單，這是月球上使用高溫超導磁懸浮特有的優(yōu)勢。另外，天文望遠鏡的結構尺度比較大，從現(xiàn)有的工藝條件和研制成本考慮，永磁體和超導體都不可能整體制作，需要用小尺度的模塊進行拼接。在目前情況下，同尺度的高溫超導塊的研制成本高于永磁塊，因此，在高溫超導塊不需要制冷系統(tǒng)的前提下，需要整圈的用永磁塊拼接；不需要整圈的可以用高溫超導塊拼接。以上方案的進一步改進，有以下優(yōu)化方案
所述的方位軸支承結構的定子上的永磁體其設置方式如下永磁體由外圈永磁體和內圈永磁體組成，該外圈永磁體和內圈永磁體的磁極同級相對擺放；同時，該外圈永磁體的外圈設有外聚磁極；該內圈永磁體的里圈設有內聚磁極；該外圈永磁體和內圈永磁體之間，設有中心聚磁極。所述的方位軸支承結構的定子上的永磁體，是由小磁鐵拼接而成的永磁圈。所述的方位軸支承結構的轉子上的超導體，是安裝在方位轉盤的孔內，超導體與孔通過微量過盈配合；或者用薄鋼板做成壓圈壓住超導體。所述的方位軸支承結構的轉子上的超導體，是由小高溫超導塊拼接而成；該小高溫超導塊在所述的方位軸支承結構的轉子上的布置方式是，主要布置在叉臂的下方用于承重；在垂直于高度軸的方向，以及左右各45°方向上，各布置少量小高溫超導塊，用于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所述高度軸支承結構定子上的超導體，和所述高度軸支承結構轉子上的永磁體，均沿徑向布置；所述高度軸支承結構定子上的超導體，是由小高溫超導塊拼接而成的半圓結構；所述的小高溫超導塊固定在軸承座上。本發(fā)明徹底解決了常規(guī)軸承在月球望遠鏡中使用所面臨的困難。由于轉子和定子之間不直接接觸，不會發(fā)生由于低溫造成的運動不靈活的問題，也不會出現(xiàn)低速爬行的問題。同樣，由于有5毫米左右的間隙，對月球表面的塵埃也不敏感。磁懸浮轉子和定子之間的摩擦系數(shù)只有10_7，比機械軸承的摩擦系數(shù)小幾個數(shù)量級，有利于降低望遠鏡驅動能耗，對能源供應困難的月球非常有意義。如果將望遠鏡安裝在月球環(huán)形山的陰暗面，始終沒有陽光的照射，溫度在_183°C(90K)左右，低于高溫超導體的臨界溫度-163°C (110K)，這樣，高溫超導磁懸浮支承就不需要復雜的制冷系統(tǒng)，使得結構非常簡單。這是在月球上使用高溫超導磁懸浮非常有利的前提條件。
本發(fā)明利用月球上超低溫的條件，采用高溫超導磁懸浮作為月球望遠鏡軸系的支承結構，省去復雜的制冷系統(tǒng)。同時，又解決了常規(guī)軸承在月球望遠鏡軸上使用的難題，使得月球望遠鏡實現(xiàn)高精度的天體跟蹤成為可能。


圖I為天文望遠鏡主軸示意圖其中，鏡筒1，高度軸2，叉臂3，方位轉盤4，方位軸5 ；
圖2為方位軸支承結構圖；其中，外圈永磁體6，內圈永磁體7，內聚磁極8，中心聚磁極9，外聚磁極10，方位底座11，保護圈12，高溫超導體13 ；
圖3為方位永磁圈拼接示意 圖4為方位超導塊位置意 圖5-1、圖5-2為高度軸支承結構圖；其中，2.高度軸，軸向布置的永磁塊14，軸向布置的高溫超導塊15 ;軸承座16，保護圈17。
具體實施例方式實施例1，適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，參照圖I-圖 5 (含圖 5-1、圖 5-2)
本發(fā)明專利提出的月球望遠鏡軸系高溫超導磁懸浮支承包括望遠鏡方位軸支承和高度軸支承。下面將對這兩個方面的技術方案進行說明。方位軸支承結構
方位軸系支承結構如圖2所示，整個望遠鏡的重量沿圖2中坐標系的Y軸，作用在方位轉盤4上，由方位轉盤4下面的超導磁懸浮軸承支承。高溫超導磁懸浮軸承由銣鐵硼永磁體和釔鋇銅氧高溫超導體13組成。永磁體由外圈永磁體6和內圈永磁體7組成，外圈永磁體和內圈永磁體的磁極同級相對擺放，迫使磁力線集中通過中間的通路,從永磁軌道的上下表面中心聚磁極9穿出，在軌道上方形成較強的具有梯度分布的外磁場，有利于增強懸浮的載荷能力。通常聚磁極是用相對磁導率較高的材料制作，如鐵等。由于望遠鏡尺寸較大，永磁圈需要用小磁鐵進行拼接，拼接的示意圖如圖3所示。拼接小磁鐵的尺寸可根據(jù)加工的實際情況而定，從充磁的性能方面考慮，一般尺寸在80毫米左右。與永磁體相對應的高溫超導體釔鋇銅氧13安裝在方位轉盤4的孔內，超導體與孔通過微量過盈配合，保證超導體不會因自重掉出，或者用薄鋼板做成壓圈壓住超導體。從圖I中可知，望遠鏡鏡筒I的重量通過兩邊的叉臂3傳到方位轉盤4上，因此，高溫超導塊不需要整圈布置，主要布置在叉臂3的下方用于承重。在垂直于高度軸2的方向，以及左右各45°方向上，各布置少量超導塊，用于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，布置的數(shù)量需根據(jù)具體的負載情況確定。布置圖如圖4所示。高度軸支承結構
高度軸支承望遠鏡的整個鏡筒(如圖I所示)，圖5是鏡筒一邊的支承結構。與方位軸相反，高度軸在徑向(圖5中Y方向)承擔鏡筒重量，所以，永磁體和高溫超導塊沿徑向布置。為了提高穩(wěn)定性，高度軸2兩邊各布置整圈的銣鐵硼永磁塊14，與永磁塊對應的是高溫超導塊15,聞溫超導塊布直半圈，如圖5右邊圖所不。聞溫超導塊固定在軸承座16上。
權利要求
1.一種適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，所述的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，包括望遠鏡方位軸支承結構和高度軸支承結構；該方位軸支承結構和高度軸支承結構分別由轉子和定子組成，其特征在于， 所述的方位軸支承結構的定子上設有永磁體；所述的方位軸支承結構的轉子上設有與定子上的永磁體相對應的超導體； 所述的高度軸支承結構的定子上設有超導體；所述的高度軸支承結構的轉子上設有與定子上的超導體相對應的永磁體。
2.根據(jù)權利要求I所述的適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，其特征在于，所述方位軸支承結構定子上的永磁體與所述轉子上的超導體，之間的懸浮間隙為5毫米；所述高度軸支承結構定子上的超導體與所述轉子上的永磁體，之間的懸浮間隙為5毫米。
3.根據(jù)權利要求I所述的適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，其特征在于，所述的方位軸支承結構的定子上的永磁體和高度軸支承結構的轉子上的永磁體，采用高強度銣鐵硼永磁體。
4.根據(jù)權利要求I所述的適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，其特征在于，所述方位軸支承結構的轉子上的超導體和高度軸支承結構的定子上的超導體，采用釔鋇銅氧高溫超導體。
5.根據(jù)權利要求I所述的適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，其特征在于，所述的方位軸支承結構的定子上的永磁體其設置方式如下永磁體由外圈永磁體和內圈永磁體組成，該外圈永磁體和內圈永磁體的磁極同級相對擺放；同時，該外圈永磁體的外圈設有外聚磁極；該內圈永磁體的里圈設有內聚磁極；該外圈永磁體和內圈永磁體之間，設有中心聚磁極。
6.根據(jù)權利要求I所述的適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，其特征在于，所述的方位軸支承結構的定子上的永磁體，是由小磁鐵拼接而成的永磁圈。
7.根據(jù)權利要求6所述的適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，其特征在于，所述的拼接小磁鐵的尺寸在80毫米左右。
8.根據(jù)權利要求I所述的適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，其特征在于，所述的方位軸支承結構的轉子上的超導體，是安裝在方位轉盤的孔內，超導體與孔通過微量過盈配合；或者用薄鋼板做成壓圈壓住超導體。
9.根據(jù)權利要求I所述的適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，其特征在于，所述的方位軸支承結構的轉子上的超導體，是由小高溫超導塊拼接而成；該小高溫超導塊在所述的方位軸支承結構的轉子上的布置方式是，主要布置在叉臂的下方用于承重；在垂直于高度軸的方向，以及左右各45°方向上，各布置少量小高溫超導塊，用于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
10.根據(jù)權利要求1-9之一所述的適用于月球的地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，其特征在于，所述高度軸支承結構定子上的超導體，和所述高度軸支承結構轉子上的永磁體，均沿徑向布置；所述高度軸支承結構定子上的超導體，是由小高溫超導塊拼接而成的半圓結構；所述的小高溫超導塊固定在軸承座上。
全文摘要
適用于月球地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構，地平式天文望遠鏡主軸磁懸浮支承軸系結構包括望遠鏡方位軸支承結構和高度軸支承結構；方位軸支承結構和高度軸支承結構分別由轉子和定子組成，特征是，方位軸支承結構的定子上設有永磁體；方位軸支承結構的轉子上設有與定子上的永磁體相對應的超導體；高度軸支承結構的定子上設有超導體；高度軸支承結構的轉子上設有與定子上的超導體相對應的永磁體。本發(fā)明利用月球上超低溫的條件，采用高溫超導磁懸浮作為月球望遠鏡軸系的支承結構，省去復雜的制冷系統(tǒng)。同時，又解決了常規(guī)軸承在月球望遠鏡軸上使用的難題，使得月球望遠鏡實現(xiàn)高精度的天體跟蹤成為可能。
文檔編號G02B23/16GK102979815SQ201210507458
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權日2012年11月30日
發(fā)明者王國民, 黃涵洋, 張志永, 徐進 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所