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标题: 科技创新案例-2.16米天文望远镜折轴系统的诞生 [打印本页]

作者: skystar 时间: 2005-9-6 22:17
标题: 科技创新案例-2.16米天文望远镜折轴系统的诞生
撰稿人：范晓松(国家天文台南京天文光学技术研究所)

苏定强 1936年6月生于上海，原籍江苏武进。1959年毕业于南京大学天文系。现为中科院国家天文台南京天文光学技术研究所研究员，1991年当选为中国科学院学部委员(院士)，现任国际天文学联合会(IAU)第9委员会(天文仪器与技术)主席。曾任中国天文学会副理事长。苏定强在大望远镜光学系统的研究中，提出了一系列新的折轴系统，提出了透棱镜改正器，在国际上受到了高度评价，并已在国内外的一些天文望远镜中得到应用；和王亚男研究员共同建立了一个有自己特色的光学系统优化程序，自1972年以来应用于我国天文光学系统的设计之中；与王绶琯院士共同提出了大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)的初步方案，作为“九五”国家重大科学工程之一现正在研制中；他领导研制成我国第一个双折射滤光器、第一个主动光学实验系统。发表论文58篇。曾获国家科技进步一等奖一次，国家自然科学二等奖一次，中国科学院奖四次，均为第一获奖人。1999年获何梁何利科技进步奖。
天文学是一门以观测为基础的科学，观测手段、技术和方法的改进常常是天文学发现和重大突破的先导。因此天文新技术和新方法的研究历来是天文学中的一个重要组成部分。2.16米天文望远镜被誉为中国天文学发展史上一个里程碑，是我国自行研制的、迄今为止国内最大、也是远东最大的光学望远镜，1998年荣获国家科技进步一等奖，苏定强院士是第一完成人。
自20世纪60年代起，从南京大学天文系毕业不久的苏定强便作为中国科学院南京天文仪器厂的年青科技骨干，积极地投入到了2.16米天文望远镜的研制工作之中。折轴系统是天文望远镜中三个主要的光学系统之一，传统天文望远镜的折轴系统和卡塞格林系统使用不同的副镜，转换时需要更换，这不仅增加了机械结构的复杂性，更严重的是往往降低了光学系统准直的精度，使像质变坏，有些机构转换时还要花去不少时间。为了使卡塞格林系统和折轴系统间的转换更简单、更精确和更快，当时年仅30岁的苏定强在考虑2.16米天文望远镜总体方案时没有被传统的思维所束缚，而是突破原有的框框，提出：有没有可能不更换副镜(即折轴系统与卡塞格林系统共用同一个副镜)来获得折轴系统？循着这一思路，苏定强想出了一系列新的折轴系统，并在1966年召开的2.16米天文望远镜上海会议上报告了这些工作，这是苏定强在折轴系统的研究上走出的第一步。这些新折轴系统虽有转换时能保持更好的准直，结构简单，转换快，大镜面减少等优点，但同时也存在如：或增加的光学元件较多光量损失增加，或者由于有折射元件波段受限制和有色差，或加工难度较大，或视场太小等缺点，因此苏定强本人并不十分满意。后由于文化大革命，2.16米天文望远镜的研制工作不久即陷于停顿。
在文革期间，苏定强依然抓紧时间执着地工作和学习，这为他后来的科研工作奠定了更为坚实的业务基础。
1972年2.16米天文望远镜的研制工作恢复后，苏定强又重新来考虑折轴系统，在原有的思路上经过反复的思考，苏定强于1972年6月提出了一种更好的折轴系统，即不更换副镜，而是仅在极轴上端增加一块椭球面镜(中继镜)。由于这种折轴系统中没有任何折射元件，只增加一块反射镜，它的加工又没有困难，而却能避免传统折轴系统由于转换副镜带来的一系列问题，于是2.16米天文望远镜就决定采用这样的折轴系统。这是苏定强在折轴系统的研究上走出的第二步。
1973年负责机械设计的同志对折轴系统提出了一些结构上的限制，光学系统不得不做相应修改。苏定强工作十分仔细，他注意到改动前后彗差的符号变了，苏定强出于数学上的敏锐性，立即意识到：这中间应当存在一个彗差为零(即消去彗差)的解(结构)，苏定强很快就找到了这个解，这是苏定强在折轴系统的研究上走出的第三步。后来机械上的限制取消了，2.16米天文望远镜就采用了苏定强提出的这种既不需要更换副镜且能够同时消去球差和彗差的折轴系统。具体说同时消去球差和彗差是这样来实现的：转换时将副镜做小量平移(在2.16米天文望远镜上约11mm)，同时将中继镜面形取为适当的扁球面，这是一种巧妙的安排，这样的折轴系统有极佳的像质，当时2.16米天文望远镜设计任务书上定的设计指标为视场直径5ˊ，星像能量的75%集中在0.〃5内，这也是传统折轴系统的像质，而采用了这种新的折轴系统设计结果为星像能量的100%集中在0.〃1内，且星像为对称的椭圆形(传统折轴系统为不对称的彗差形)，远优于设计任务书的要求，也远优于传统的折轴系统。
苏定强在折轴系统方面的思想得到了国际上的高度好评。1977年10月，以第15届国际天文学联合会主席、美国基特峰国家天文台台长L.Goldberg为首，由包括6位美国科学院院士在内的10位美国著名天文学家组成的考察组访问中国时，盛赞苏定强提出的2.16米天文望远镜采取单副镜的设计是“世界上最优秀最独特的设计”，并且认为，这一设计思想今后将被世界其他国家所效仿；1979年9月，国际著名天文光学家、美国基特峰国家天文台第一任台长、曾任美国光学学会主席的A.B.Meinel教授访华时，高度评价了2.16米天文望远镜折轴系统的设计，并且以介绍2.16米天文望远镜光学系统文章的三位作者苏定强、俞新木、周必方姓的第一个字母SYZ命名了这种折轴系统中的中继镜，此后，在他提出的4m、10m、15m望远镜方案中都采用了SYZ中继镜；欧洲南方天文台(ESO)从20世纪80年代开始研制VLT--由4个8米望远镜组成的阵，其中的每个8米望远镜都采用了与2.16米天文望远镜相似的共用副镜和采用中继镜的折轴系统。

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