CTA報告74:
CTA大口径望遠鏡における光学系調整のための分割鏡支持構造設計
花畑 義隆 (東大宇宙線研)
野田浩司B, 手嶋政廣A,B, 荻野桃子A, 奥村曉C,D, 加賀谷美佳E, 片桐秀明E, 小島拓実A,斎藤浩二A, 田中駿也E, 千川道幸F, 中嶋大輔A, 野里明香F, 馬場浩則E, 林田将明A,柳田昭平E, 山本常夏G, 吉田龍生E, 他CTA-Japan consortium(A: 東大宇宙線研, B: Max-Planck-Inst. fuer Phys., C: 名大STE研, D: レスター大,
E: 茨城大理, F: 近畿大理工, G: 甲南大理工)

2014年3月27日 日本物理学会春季大会@東海大学

CTA大型望遠鏡LST•口径: 23m•総重量: 70トン
•焦点距離: 28m‣辺々1.51mの球面鏡200枚で構成•平面焦点面カメラ: 1855本のPMT•視野: 4.5度 (1ピクセル0.1度; Φ50mm)•回転速度: >180deg/20秒•スポットサイズ: <0.1度@入射角<~1度
大口径によりエネルギー閾値を下げ、軽量化してガンマ線バーストなどの突発天体を狙う‣構造の変形を許容し、随時補償を行う(CTA報告74: 小島講演)

2分割鏡支持構造
Dish側から見た構造

supported bypads, each owhich is conInterface plate
nected to a p
Pivot (fixed point)
or anSpace
frame (1axisActuatorfree)actuato
Actuator (2axis free)

Pivot or actua
Interface plateis attached tointerface pla
Space frame structure
which suppor
facets on a kKnot

Fig 5.1.2: Schematic view of mirror mounting. Individual mirror is mounted on thespace frame structure at three points. Shade hexagons are mirror facets. Blue closed
circles represent the universal joints. Red ones represent joints with actuators. The
dotted hexagons represent the interface plate between space frame knots and joints.

断面図Interface plate (No detailed design
2axes
free

1axis
free
MirrorFixedpoint

1枚のプレートには固定点
PlatePivotfree)が設置され、それぞ

1axis
freeSpace frameとアクチュエータ(1,2axes

Knot

れが異なる分割鏡を支持
3分割鏡の変形要因•静的要因: 望遠鏡構造体の自重(変形は仰角依存)、温度変化‣AMCで補正可能•動的要因: 風圧‣振動成分となり、補正できない

インターフェースプレートへの要求

サイエンス要求: 指向精度 14秒角

‣分割鏡の動的要因による変形: < ~35 μm

変形量の内訳
1. 分割鏡自体: ~5 μm
2. Actuator: 位置精度 5 μm, 機械的遊び 10 μm
3.インターフェースプレート < ~15 μm
重量: 10 kg以下
素材: アルミニウムが有力候補←軽量で加工しやすく、安価

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インターフェースプレートの荷重

Estimated windload (II)

各アクチュエータの荷重の天頂角依存性(=mirror load /3)

wind speed

Force [N]Max. load 244 N @ 70 km/h

Calculated by Achim
9080706050403020100

Zenith Angle [degree]
Mar 2013, A. Vollhardt
LST review

Physik-Institut Universität Zürich
Winterthurerstr. 190, 8057 Zürich

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風速70km/hでは天頂角60度付近で最大荷重(自重+風圧)‣構造解析での荷重として採用*実際は風速60km/h以下で運用
5構造解析セットアップ•有限要素法を用いて応力、変形量を評価(by Autodesk Inventor)•計算時間短縮のために構造を簡略化。但し、加わるトルクを正確に評価するためにアクチュエータのユニバーサルジョイントや回転軸の可動を再現。
デザインの出発点“ノット”にかかる曲げモーメントを抑えるために、フレームにもマウント
構成要素

プレート: アルミニウム、10mm厚

アクチュエータ: SUS410、全重量5kg
アクチュエータの分割鏡への取り付
け位置はΦ1100mmを仮定。

分割鏡: SUS410、45kgのダミー

ノット: アルミニウム、Φ127mm

スペースフレーム: アルミエンド
キャップ+CFRPチューブ

6シミュレーション結果@天頂角60度
荷重のかかり方GravityWind

2.7MPa

1axis

2axes

Mirror
1,2axesfreeactuators+ plateﬁxed point

変形の様子

ミーゼス応力分布

荷重0fixed point①②
ジンバル部が力を逃す方向に可動し、固定点が最大荷重を受ける②①

片持ち梁的変形

ねじれ

複雑な変形が生じている

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構造の強化と結果1.力点と支点の距離を短くするために、プレートを拡張~700mm
支点

力点(固定点)8構造の強化と結果

1.力点と支点の距離を短くするために、プレートを拡張
2.ねじれの方向に対して垂直にリブを取り付けた

変位分布*固定点のみに着目

20μm~700mm
0μm
動的変位: 12 μm (要求クリア)
重量: 16.1 kg = 13.9 kg (Plate) + 2.2 kg (Ribs)(肉抜きをしても10kgが限界)
Dishの外側ではプレートが1割程度大きくなるため、重量オーバーに

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分割鏡のアクチュエータ取り付け位置の見直し
アクチュエータ取り付け位置

支持構造断面図

1100mm•fixed point•1axis free•2axes free

3D image(Φ1300mm)

Actuatordummy

Made by Holger

アクチュエータとフレームとの干渉を懸念し、従来はΦ1100mmを採用。

23mmの隙間9分割鏡のアクチュエータ取り付け位置の見直し
アクチュエータ取り付け位置

支持構造断面図

1300mm•fixed point•1axis free•2axes free

3D image(Φ1300mm)

Actuatordummy

23mmの隙間Made by Holger

アクチュエータとフレームとの干渉を懸念し、従来はΦ1100mmを採用。
見直しで、Φ1300mmまで拡張可能と判明‣ノットと力点との距離が3割減(340mm→240mm)
プレートの変位が７割減ると期待できる(∵変位 / ノットとアクチュエータの距離3)9改訂版デザイン
ノット側から見た図
断面図
Interfaceplate~500mm

SpacerClamp
クランプ: アルミニウム、厚さ10 mm, 高さ50mm

プレートとスペースフレーム(チューブ)をクランプで固定し、構造を強化

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シミュレーション結果@天頂角60度
変位の分布

動的変位3μm!

6μm
1axis0um
fixed point

2axes

クランプをしっかりチューブに接触させると強度が出る重量
8.6kg =5.9kg(Plate)+2.7kg(Ribs+Spacer)(肉抜きで軽量化できる)チューブをリブとして利用することで変位と重量の両方がクリアできる→CADモデルをエンジニアに渡し、クランプ方法の詳細を検討中
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MIRRORS

LST光学系性能の評価
LSTの全要素モデルを組み込んだ構造計算が行われている(by Eder)
その結果をもとにレイトレースし、光学系性能を評価(by 野田)
Wind XMIRRORPROP DUMMY
IF to 1st floor truss

Wind YZyx

PROP DUMMY (ACTUATOR):
1. Red: PIVOT POINT (pin DOF456)
2. Green: ONE AXIS FREE (PIN
DOF 3456)
3. Cyan: TWO AXIS FREE (PIN
DOF 23456)(x-axis along bar axis, xy-plane
passes through the central mirror

現在、インターフェースプレートは十分な強度を持ったダミーを仮定‣指向精度、スポットサイズともに問題ないことを確認した
今後、実際のデザインでLSTの要求を満たすかを検証

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まとめ

• 有限要素法を用いて、CTA/LSTのアクチュエータを支持するインターフェースプレートの設計開発を行った。

• 分割鏡へのアクチュエータの取り付け位置がΦ1100mm→Φ1300mmに変更可能であることを指摘し、プレートのサイズを変更。

• プレートをクランプでスペースフレームに固定する構造が、LSTの要求を満たすことを確認。

今後• LST全体での構造計算に実際のプレートのデザインを反映し、レイトレースで光学系性能の評価を行う。

• プレートの試作品を作成し、分割鏡支持構造の確認試験を行う。

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