[发明专利]适用于月球地平式天文望远镜主轴磁悬浮支承轴系结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种轴系结构，具体涉及一种适用于月球的地平式天文望远镜主轴磁悬浮支承轴系结构。

本发明受国家自然科学基金资助。基金项目批准号：10973024。

背景技术

天文观测离不开天文望远镜，但用天文望远镜进行天文观测又受到较多的环境因素的影响，其中最主要的是大气湍流和散射，影响望远镜的成像质量。所以，空间望远镜应运而生，空间望远镜在大气层之上，不再受到大气扰动的影响，如哈勃望远镜，它的清晰度为地面望远镜的10倍。但空间望远镜也有其自身的不足，一是空间望远镜漂浮在空中，难以实现精密定位、精密跟踪以及望远镜维护等工作；二是容易受到空间碎片的撞击导致损毁的危险。随着探月工程的不断进行，以及天文学家对天文望远镜成像质量要求的不断提高，天文学家提出在月球上安装天文望远镜，进行天文观测和研究。在月球上安装望远镜进行天文观测，既没有地球望远镜受大气层抖动，影响成像质量的问题，又避免了空间望远镜在空间漂浮不稳定的缺点。月球望远镜安装在月球上，有一个稳定的根基，有利于望远镜的裝调和维护。

根据规划，中国在未来10年内，将建成月球天文台。其中，地平式天文望远镜是首选的望远镜类型。地平式天文望远镜主轴通常指望远镜的方位轴和高度轴，如图1所示。方位轴5垂直指向天顶，整个望远镜绕方位轴5旋转。望远镜镜筒1通过高度轴2支承在叉臂3上，镜筒绕高度轴2旋转。高度轴与方位轴垂直正交，通过方位轴和高度轴的旋转就能实现望远镜对天上星体的跟踪观测。但月球的特殊环境，使得天文望远镜上常用的轴系支承轴承在月球望远镜上无法正常使用。

在月球上安装天文望远镜主要存在以下的技术问题：

①.月球上夜晚的温度为-183℃，在如此超低温的环境下，液体静压轴承根本无法使用，因为目前还没有能够用于如此低温的液压油。接触式的机械轴承，在如此超低温的环境下，也会出现问题。主要是滚动体钢球与内外滚圈之间的接触状态和滚动性能在超低温的状态下发生变化，使得钢球的滚动不连续，以及滚动状态和滚动性能不一致。致使望远镜不能稳定的跟踪被观测天体。

②.月球自转的速度是地球的1/14，所以，月球上望远镜的转动速度非常慢，仅为0.55″/s左右。如果用接触式机械轴承，在月球上-183℃的超低温环境下，轴承难以得到很好的润滑，使得滚动钢球在内外圈滚道间发生低速爬行和突跳现象，导致望远镜不能平稳的运行。

③.超低温环境下机械轴承大多采用聚四氟乙烯固体润滑，但固体润滑在月球高真空和强辐射环境下，性能不稳定,一旦涂层消耗或脱落，摩擦副就会立即失效，且都是不可修复的，无法满足天文望远镜长期工作的要求。

④.月球表面是厚厚一层月尘颗粒，这些月尘颗粒的平均直径为40～130微米，粒子摩氏硬度介于7～9级，比钢锉的硬度还高。由于月球的低重力（是地球的六分之一）和近乎真空的环境。在这种微重力和高真空环境下，这些月尘颗粒很容易漂浮起来，一旦掉入轴承，会严重污染液压油，使得轴承严重受损，望远镜上常用的液体静压轴承和机械轴承根本无法使用，无法实现望远镜对天体的精密跟踪。

在月球超低温环境下，机械滚动轴承内外圈和滚动体之间的接触状态、摩擦性能、润滑脂性能等都要发生变化，这些变化影响轴系的旋转精度和制约轴系旋转精度的进一步提高。

为了解决这一问题，美国月球车对其上面使用的机械轴承采用密封加热的方法。月球车上所使用的轴承尺寸不大，且对支承轴承没有精度要求，用防尘罩的方法可以满足要求。但天文望远镜轴承的尺寸很大，且需要长时间的精密稳定跟踪，密封加热比较困难，，用加防尘罩的方法无法保证望远镜对支承轴承的要求。而且月球上能源供应很困难（目前美国的月球探测器上使用的太阳能、充电电池和同位素电池，只能保证小型仪器的加热）。由于月球的自转周期为27.3天，所以月球望远镜的跟踪速度非常低，约为0.55″/s。在这样超低速运行时，再加上超低温的影响，由于机械轴承动、静摩擦力矩的变化，使得旋转轴系发生严重的低速爬行和突跳现象，导致望远镜很难获得高精度的跟踪。

超低温环境下机械轴承大多采用聚四氟乙烯固体润滑，但固体润滑在月球高真空强辐射环境下，性能不稳定,一旦涂层消耗或脱落，摩擦副就会立即失效，且都是不可修复的。因此，固体润滑的使用寿命较短。阿波罗月球车轴承采用的是陶瓷轴承加固体润滑，但只要求其能够正常使用72小时，无法满足天文望远镜长期工作的要求。 

发明内容