とうこくレポート          2003年4月7日

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    ＧＳＭＴ グリーンブック４.３章

    ０、はじめに
    １、気象条件からの保守
    ２、風負荷を減らす
    ３、熱制御
    ４、サポート機能
    ５、ドームへの負荷設計
    ６、ドーム形状
    ７、ドーム形状の選定
    ８、実現可能性
    ９、これから
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０、ドームに要求されること

       （１）気象や物理的ダメージから望遠鏡を守る。
       （２）観測中、望遠鏡構造への風の負荷を減らす。
       （３）望遠鏡とその周辺の温度制御。
       （４）望遠鏡運用に必要な機能や設備を収容する。
       （５）望遠鏡等で仕事をする人に適度な環境をつくる。

        ・巨大ドームは、現在の建設技術を使って建設が可能である。全ての仕様を満たし、
          かつコストが現実的であることが重要。


３、熱制御

        ・"積極的制御（空調設備使用）"と"受け身的制御（換気ゲート使用）"の
	  組み合わせ。計算機による流体動力学と風洞実験が必要だが、モデル
	  サイズや分解能などに限界もある。
	・低吸収率＋低放射率のドーム塗装。
	・ドームの内壁と外壁の間の空調？


４、サポート機能

    （１）サポート機能         制御室、コンピュータ室、ミラー蒸着設備、装置ラボ、
	                       マシンショップ、倉庫、オフィス
    （２）電気設備	       入り口、スイッチギア、モータ制御、電源供給システム、
			       バックアップ電源発生装置、周波数変換機
    （３）機械設備	       チラーなど水冷装置、ハイドロ・ベアリング・ポンプと
			       冷却装置、エアハンドラー（気圧調整？）、極低温装置、
			       換気ファン

         ・蒸着設備については、ＧＳＭＴの場合は大きさは副鏡が最大、主鏡セグメント６１８枚
           が効率よく再蒸着できるような設備が必要。
         ・装置や備品を置くスペースは十分にとっておく。将来のアップグレードなども考慮。
         ・クレーン設備がドーム内にあるとよい。MMTのように必要なときだけ山頂にあげるやり方
           だと、作業が天気に影響される。


５、ドームへの負荷設計

    （１）強風、大地震、大雪や着氷など極端なイベントに耐える。
    （２）適度な風状況なら完全な運用ができる。
    （３）ドーム搭載型クレーン、装置やミラーの操作カートのような特定の負荷。

         ・風は予想しうる最大のものでも耐えられること。またそういう状況での停電、
	   機器の故障などでシャッターやベントゲートの開閉が可能か。
	 ・風の強さは、サイトの風条件、ドームの形状、風をつかまえるような全ての
	   構造、建物の隙間などを考慮して見積もる。これはボギーサイズ、駆動機構、
	   ブレーキ機構などの設計に影響する。
	 ・風によって生じるドームの振動の、望遠鏡構造への伝搬。通常、ドームと
	   望遠鏡構造は独立な土台に作られるが、実際に風やドームの回転による振動
	   が測定されることがある。
	 ・ドームはそのサイトで考えうる最大の積雪氷に耐えられるようにし、できれば
	   雪や氷が溜りにくい形状であるほうが良い。
	 ・地震対策。地震による負荷をどう見積もるかは、ドームと望遠鏡構造の設計で
	   重要な要素。
	 ・重いものを運ぶカートが通る床などは特に強化する必要がある。また、装置や
	   副鏡などの重量なども見積もり、それが運搬できるものがあるかを検討する。


６、ドーム形状

    （１）望遠鏡とドームの相互作用
    （２）ドームの形状
    （３）ドームの構造と機械システム

         ・ＧＳＭＴ採用案
	   望遠鏡はあドームの中で完全に独立な動きをする。ドームが完全に閉っていても
	   望遠鏡の調整ができる。

               


      	 ・すばるやMMTは、望遠鏡とドームが一緒に回る構造。アジマスがドームと一緒に
	   回転するように制限すると、ドームサイズは抑えられる。この場合、初期費用だけ
	   でなく運用費もだいぶ抑えることができる（駆動重量、空調体積などが減る）。
	 ・２つの制限 「ドームも望遠鏡駆動・制御機構もアジマス軸の回転が必要」
	   「ドーム内の作業空間が減る」
	 ・この構造だと、望遠鏡を傾けたときに望遠鏡の上端部が外にはみでる。
         ・望遠鏡をどの方向に向けても、ドーム内に収まるような大きさにすると下図のよう
	   になる。バランスのためにドームの後ろ側を大きめにすると球形にするよりも大きな
	   ドームになる。

             
 

         ・回転式ドームはアマチュアやＳＤＳＳ（2.5m望遠鏡）でも使われている。
	   建物はホイールやレールに載り、望遠鏡から完全に取り去られる。ドームの影響
	   によるシーイングを除去できる。風による振動を抑えたいのでＧＳＭＴでは採用
	   しない。
	 ・天気や気象条件によって被害をうけるようなものが全て保護されているならば、
	   ドームはないほうがよい（ＯＷＬではこのオープンエア式を採用）。
	 ・面切り型のドームは、鋼鉄平面を利用して放熱孔や通気孔を作れるのが利点。
	 ・ＭＭＴやＬＢＴのような四角形ドームは、ドームと望遠鏡が一緒に動く場合に都合が
	   良く、重量、体積、表面積が減らせるのでコストを抑えられる。
	 ・ＪＣＭＴのような円筒型ドームは、建設がしやすく回転構造が造りやすいがルーフ上
	   の雪氷の処理が大変。
	 ・ＧＳＭＴでは、直線要素を使ったアーチ梁を採用。スリットの両側のアーチ梁が
	   リング梁（ドーム下のフレーム）に載る。アーチの自重や風、雪氷などの負荷にも
	   耐える。デザインによって多少の集中荷重にも耐えることが可能。
	   アーチ梁がドーム殻よりはみ出ていると風をとらえて風負荷が大きくなる（風に
	   対するドームの角度に依る）。
               



	 ・２軸回転式ドームはサブ部についた開口軸が偏心しており、ベース部とサブ部を
	   同時に回転することで、30度より高いところは全て観測することができる。
	   この型だとアーチ梁が不要。ドーム外部に突出部が不要になること、ドーム重量
	   がより一様になるため、ホイールへの負荷がより均一になるというメリットがある。
	   問題点は、換気法、サポート構造の複雑化、光路の開口部のシール方法など。
	   積極的な換気も必要。２軸回転式ドームは実績が少ないので解析や風洞実験が必要。
               

	 ・フレーム・トラス構造はコスト打開を狙えるところ。比較的短く軽い要素で３次元
	   トラスをつくる。しかしフレーム構造は、スリット開口やシャッター支持構造など
	   の負荷が集中するような構造には向かない。


７、ドーム形状の選定

         ・ドームの選定は多くの要素の兼ね合い。「ドーム体積」は、構造部の鋼鉄材、屋根、
	   羽目板、断熱材などの量、ボギーの数や大きさなどに影響する大きな要素。運用コスト
	   も、換気等に必要な電力、さらされる表面積、太陽からの熱流入量、断熱、自然換気量
	   なども考慮にいれる。ドーム形状と体積のめやすは下表の通り。最も差の大きいもので
	   約75%も変わるが、太陽からの熱流入をうける面積は6%しか変わらない。しかしコスト
	   だけでなく、観測時間のロスにつながる要素も考慮すると、エンジニアリング、試験、
	   キャリブレーションなどが天候に関係なくドームを閉じたままできることも必要。
	   となるとドームはより大きく、望遠鏡と独立に駆動できるものが望ましい、ということ
	   になる。

ドーム形状 ドーム体積 [m3] 表面積 [m2] 望遠鏡と独立駆動 外部にアーチ梁 (Figure 1,7) 298000 117000 望遠鏡と独立駆動 内部にアーチ梁 (Figure 8) 397000 19000 ２軸回転 (Figure 9) 298000 17000 同時回転、四角ドーム (Figure 2) 172000 16000 取り除き型、四角ドーム 234000 19000

８、実現可能性の検討

         ・AMEC(AMEC Dynamic Structure)に古典的なアーチ梁ドームと２軸回転ドームについて
	   それぞれドーム内での望遠鏡の独立駆動が可能な十分広いドームの実現可能性の見積
	   もりを依頼。結果は可能で、重量はどちらも3000トン程度。必要とされる電力とトルク
	   もほぼ同じだったが、シャッターを動かすを動かすのに必要なトルクが、２軸型が
	   ３倍にもなることがわかった。これはまだ減らすことができそう。
	   あとは、望遠鏡駆動による熱の発生量なども見積もるべきである。


９、これから

         ・古典的なアーチ梁ドームと２軸回転ドームについて、望遠鏡に対する風の効果を
	   減らしドームシーイングを抑えるようなドームフラッシング法の検討などをより
	   詳細に進めていく。同時回転型ドームの勉強も続ける。