文|樹洞檔案
編輯|樹洞檔案
前言
對于太空望遠鏡來說，随直徑變化的比例指數是小于地面的，在空間上，大部分的制造成本是按照孔徑面積比例。
另一個原因是，對于太空望遠鏡來說，其每周（如設計、測試）的成本比例也更大，大型天文台不能簡單地根據技術和科學的要求來定義，成本也應該是設計優化的一部分。
天文台的技術規格
天文台的技術規格是在最初的設計階段，将科學要求、操作考慮和環境因素結合成一份全面的檔案，定義所有對天文台性能重要的技術措施。
這個過程可以很友善地分解為“層次”，從一般的一直分解到具體的，使用來自NASA的術語和定義，這些級别如下圖所示：
除了構成設計要求支柱的科學驅動的規範外，也不能忽視望遠鏡試運作後運作的相關要求，在科學方面，操作要求應包括諸如望遠鏡操作、遠端觀測和科學資料處理等問題。
使用壽命、安全性、可靠性和可維護性也是一些重要的問題，在望遠鏡設計中經常被忽視或僅被非正式地考慮。
如果不考慮到這些因素，可能會在後期的操作階段産生巨大的後果。相應的要求應作為第2級要求的一部分來确定。
确定望遠鏡所需的使用壽命并不容易，地面望遠鏡的設計壽命通常很長，大約為30年，并且經常繼續使用相當長的時間。
一個很好的例子是山上5米高的望遠鏡，設計于20世紀30年代末，目前仍在運作，是以，設計為太短的壽命是不現實的，并沒有考慮到望遠鏡使用的實際曆史。
另一方面，要求不合理的長使用壽命，會迫使設計師選擇技術性能目标所不要求的材料群組件，是以，在設定望遠鏡的日常使用要求時，必須仔細地平衡這些因素。
安全要求來自于需要保護使用和維護望遠鏡的人員、裝置本身和望遠鏡周圍的環境，危害應在概念設計階段進行識别，并通過适當的設計盡可能加以消除。
當沒有更安全的替代品時，在設計中必須納入防護裝置和安全裝置，警告裝置、安全程式和人員教育訓練也被用于減少任何剩餘危害的風險。
可靠性和可維護性是在望遠鏡設計中必須同時考慮的兩個概念。
可靠性是指望遠鏡在未來繼續滿足性能規格的能力，可維護性是指確定其持續性能所需的維護任務的頻率和複雜性。
望遠鏡傳統上被設計為高度可靠的，但很少有明确的可靠性規範，也不總是進行正式的可靠性分析。
同樣，維護計劃通常隻在施工期間或施工結束時進行設計，大型望遠鏡已經變得相當複雜，在設計中應該解決這兩個問題，以便産生一個可靠的、容易維護的天文台。
誤差預算
誤差預算（也稱為“性能預算”）是任何工程項目中最有用的設計工具，在天文台的設計中，由于誤差源的多樣性和這種系統的複雜性質，它們是絕對必要的。
錯誤預算包括在系統的各個子系統和系統的各個元件之間配置設定給定的性能要求，這就允許每個學科的工程師在系統工程師的監督下設計他們自己的子系統。
在項目開始時，配置設定是有些随意的，然後通過權衡分析、詳細研究和制造公差，随着設計進展進行改進。
應為所有主要的天文台系統（如光學、指向、熱、功率）制定誤差預算配置設定，對于光學品質和指向穩定性的兩個例子如圖所示：
最初，誤差預算是通過“自上而下”的方式配置設定每個潛在的誤差來源來獲得的。這些都将基于一階分析、對其他項目的經驗和良好的工程判斷。
如果貢獻的大小未知，津貼将被設定為初始最佳猜測，總結誤差補償，平衡預算，以實作總體目标，有時必須調整項目目标，使其符合工程的可行性。
大多數元件都會導緻不相關的錯誤。這些方法可以用平方根法（rss）方法來求和，然而，一些誤差來源是系統聯系的，rss求和是不合适的。
例如，主鏡和副鏡的半徑和圓錐常數是互相關聯的，在将殘差輸入總波前誤差和之前，應該分别進行平衡。
初始誤差預算可作為為系統中的每個元件設定性能目标的設計指南，一個元件有時可能比最初的津貼表現得更好，或者它可能無法達到這個目标。
随着每個元件的性能得到更好的了解，預算就會“自下而上”填寫，最好記錄計算或測量結果，并在預算電子表格中記錄每一項津貼的基礎。
這樣，錯誤預算就可以作為所收集到的工程文檔的索引。
由于最初的猜測被測量和計算所取代，預算用于預測系統的整體性能，預算定期被重新平衡，津貼也被重新配置設定。
如果處理得當，錯誤預算會導緻設計經濟，将工程工作集中在最有用的地方，并有助于控制項目成本。
随着天文台變得越來越大和越來越複雜，上述的誤差預算方法變得不夠充分，因為它是經驗的，不能提供尋找最優的确定性方法。
這是因為預算元件的确定是以一種受過教育但“先驗”的方式完成的，而不是直接追溯到相關子系統的實體特征和行為。
此外，誤差預算方法必然無法捕捉到環境或操作條件的複雜性，通常隻處理平均或最壞情況下的名義操作模式。
高保真計算機模組化的可用性提供了一個理想的解決方案，現在可以開發出整個系統的詳細計算機模型，以模拟實際的操作條件，并探索廣泛的權衡空間。
這為根據性能和成本标準的最佳配置提供了一個确定性的解決方案，使用傳統的光學、數學和有限元方法，為每個相關系統生成單獨的模型，然後将這些模型組合成一個內建的系統級模型。
在NGST項目的設計概念階段，建立內建系統級模型的一種方法是基于噴氣推進實驗室開發的一套工具。
這些工具中的第一個是IMOS，它的意思是“光學系統的內建模組化”。
IMOS是一個函數或子例程的集合，允許分析人員在Matlab計算環境中組合必要的子系統模型。
22Matlab是一種流行的商業代碼，用于通用的、面向矩陣的數值分析，它還包括一套用于控制系統分析的強大工具。
系統工程的工具，由噴氣推進實驗室開發的工具是MACOS，代表“光學系統的模組化和控制”。
MACOS是一個提供幾何和實體光學能力的分析代碼，使其在望遠鏡設計應用中具有獨特用途的其他特性包括支援分段和可變形光學，以及允許其他代碼通路所有能力的程式設計接口。
使用這些工具，分析人員可以在各種操作條件下快速确定系統性能，并進行參數化設計優化。
此外，這些內建模型是模拟抖動和波前控制的強大工具，以及分析特定現象，如熱瞬變、微動力捕捉和粘滑事件的強大工具。
設計可測試性和寬性
設計的可測試性和寬恕性是在比較各種建議的設計時應考慮的兩個重要特性。
可測試性是指一個給定的設計在最終組裝（或部署，對于太空望遠鏡）之前進行驗證的能力。
這一因素對于無法在發射前進行徹底測試的大型太空望遠鏡，或無法安裝在偏遠地點的非常大型的地面望遠鏡尤為重要。
給定兩個具有相同性能的設計選擇，應該優先考慮可以在商店中或在釋出前進行最佳測試的一個。
設計免除是指給定設計從設計或制造錯誤、環境的意外變化或操作過程中的損壞或故障中恢複的能力。
一種健壯、靈活的方法，可以在廣泛的條件下工作，以補償潛在的問題，最終可能比需要廣泛測試以確定其有效性的高度優化的設計更具成本效益。
由于望遠鏡的孔徑直徑是影響天文台成本最大的單一參數，是以了解它對科學性能的影響是很重要的。
孔徑直徑通過靈敏度和空間分辨率兩個方面影響科學性能，正如我們所看到的，靈敏度最好的描述為達到給定的信噪比所需的積分時間。
積分時間和通量極限對孔徑直徑的依賴關系彙總見表：
在空間中，或者在紅外的地面上，圖像接近衍射限制，由于孔徑更大而産生的背景限制擴充源觀測的增益是最令人印象深刻的。
這是因為收集到的通量的增加與減少的圖像大小相結合，進而減少了背景的貢獻。
為了了解重力是如何影響或望遠鏡的固有頻率尺度與望遠鏡大小的關系，将望遠鏡結構模組化為一個均勻截面的簡單光束是很有指導意義的。
結構偏轉有兩個起源：由于支撐光學的重量引起的點載荷和由于結構本身的品質引起的自偏轉。
根據上述例子，表中給出了影響望遠鏡的各種因素的比例規律：
成本模型
直到20世紀80年代早期，傳統望遠鏡的成本一直遵循一個建立良好的幂律，作為孔徑直徑的函數。
如果當時使用的技術至今仍在使用，那麼8到10米級的望遠鏡将是負擔不起的。
但幸運的是，一系列的技術進步使得以較低的成本建造更大的望遠鏡成為可能：掌握非球面計算過程帶來了更快的初選（是以更短的望遠鏡和更小的圓頂）；
更好的測試方法和計算機抛光将光學計算過程從黑色藝術轉變為确定性科學；
使用應力鏡或應力圈技術大大減少了抛光時間；使用alt-az支架而不是更大的。
總結
基本的天文和工程資料，目前現存的主要望遠鏡的清單，以及廣泛的詞彙表。
我們希望這篇文章将成為天文學家和工程師的基礎，他們會面臨更大的太空望遠鏡，無論是在太空還是在地面上，都需要在知識的前沿工作。
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