不知不觉中现代天文仪器系列文章已经写到了第8篇。先是介绍了一番高能设备，然后用《关于望远镜镜坯》、《主动光学与自适应光学》、《CCD简说》、《杜瓦瓶与红外天文学》三篇文章大致介绍了当代望远镜的成象和探测器系统。本文要谈的则是望远镜的桁架，也就是容纳支持成象系统和探测器的结构。这也是介绍光学/红外/紫外设备的最后一篇文章，之后就要进入射电波段了。

最早的望远镜是谈不上桁架设计的。从伽利略时代开始，折射式望远镜也好，反射式望远镜也罢，都是装在不透光的镜筒中的，这其中包括第三代罗斯伯爵的72英寸反射镜和叶凯士天文台的1米折射镜，它们也标志着落成时天文仪器发展的最高水平。

左：罗斯伯爵的72英寸反射镜（图片提供：Birr Castle Archives/The Irish Picture Library）；右：叶凯士天文台的1米折射镜（图片提供：Yerkes Observatory）

随着主镜口径的增加，镜筒由于过重且不够牢固的缘故被逐渐摈弃，由抵抗轴向形变效果更好的桁架结构取而代之。简单轻便的需要是桁架兴起的动力之一（之二容我下文再说）。除此以外，桁架结构的镜筒还有另外一个好处：加快空气流通进而提高视宁度。说来望远镜桁架应用先驱的桂冠还要戴到美国天文学家乔治·海耳的头上，正是他一手建成了叶凯士1米折射镜，也正是他率先把桁架式镜筒用到了大型望远镜上。这次是威尔逊天文台的60英寸反射望远镜，随后该台的100英寸胡克望远镜也采用了桁架结构。

威尔逊山的60英寸（左）和100英寸（右）反射镜（图片提供：Mt. Wilson Observatory）

由于桁架的主要作用是支撑，设计的中心思想之一就是尽量避免弯曲扭转。刚性结构当然最好，而仅有一端固定的悬臂则是要尽量避开的。为增强机械坚固性，首尾相接的三角形是桁架的基本元素，实例可以参考上面两张照片。根据力学原理，2维桁架（这也是一般望远镜镜筒的情况）稳定的前提是桁架元数m、连接点数j和外力数目r（一般情况下等于3）应满足如下关系：

当上式取等号时，桁架元承受的内力可以完全由连接点的受力平衡方程解出，对应的m值也就是保持稳定所需的最小桁架元数目。当然，如果在此基础上增加m，桁架就可能在部分受损的情况下继续保证稳定。这些概念是对所有桁架都成立的。但早期的桁架只是简单的三角形骨架结构，并不很适合天文需要，还有待改进。

望远镜桁架的下一个突破又与海耳有关。现代望远镜用桁架的经典形式是赛路里（Serrurier）桁架，这是工程师Mark U. Serrurier于1935年为帕洛玛天文台的5米望远镜设计的，而这架望远镜的建造是海耳的功劳。这次与先前不同，除了支架的刚性问题之外，Serrurier面对的主要难题是，如何保证如此之大的望远镜在指向不同位置时主副镜彼此平行且垂直于光轴。其实这也是让当时的望远镜设计者普遍头疼的问题：如要保证成象质量，主副镜的校准偏差应保持在几微米的数量级或更小，但实际情况是，大型望远镜的这种偏差可以大到几毫米。

赛路里桁架就是该问题的解决方式。每组桁架一般由8根支竿首尾连接组成4个三角形，望远镜转轴（对于帕洛玛的5米望远镜来说是赤纬轴）上下各有一组，两组桁架的连接支撑结构位于转轴处（这里也是桁架的重心所在），镜筒两端另有环形结构与桁架的4个三角形尖端连接，用于支撑主副镜室。由于在重力的作用下，转轴之上的桁架承受的张力等于转轴之下的桁架承受的压力，让两端的环形保持平行，因此可以保证主副镜的弯沉情况相同，自然就保持住了二者的相对位置。

赛路里桁架结构示意（图片来源：Design of a Modified Serrurier Truss for an Optical Interferometer, Keith Doyle & Dan Vukobratovich, 1992）

当前仍在役的大型望远镜中，采用经典赛路里桁架镜筒设计的除帕洛玛5米海耳望远镜外，还有高加索的6米地平式望远镜、基特峰的4米Mayall望远镜等。另外根据照片资料来看，8.3米昴星团望远镜、欧洲南方天文台的新技术望远镜和甚大望远镜、托洛洛山的4米Blanco望远镜等使用的也应该是赛路里桁架。

左：5米海耳望远镜的桁架（图片提供：Palomar Observatory）；中：6米地平式望远镜；右：4米Mayall望远镜，转轴之下的桁架已被包住（图片提供：KPNO）

顺便提一句，业余用多布森式望远镜的桁架不能算是标准的赛路里桁架，虽然人们往往把二者混为一谈。赛路里桁架的一大特点就是上下两组共16根支竿，而多布森望远镜的支竿只有一组8根，当然，其作用和大型望远镜的赛路里桁架是类似的。

8.1米双子望远镜和10米凯克望远镜的桁架看起来与标准赛路里桁架不同，由多层支竿组成，不过它们都可以算作是赛路里桁架的变体。双子望远镜的设计更特别些，没有在望远镜中段设置桁架重心，这是出于减少热辐射以便进行红外观测的考虑。前文提到的望远镜桁架发展的第二个动力正是红外天文学的需要。当然，专用的红外望远镜为进一步降低望远镜本身的热辐射，往往还会对桁架进行抛光处理。

双子望远镜的桁架（图片提供：Gemini Observatory）

但赛路里桁架终究是被动的结构，并不能完全消除重力的影响。而与其他结构相比，这类桁架的刚性重量比也偏小，还引入了本身的低频振荡，带来了新的问题。目前已有文献讨论对赛路里桁架的改进方法。

同时，随着技术的发展，调整主副镜相对位置的任务逐渐转移给了主动光学系统，后者可以把这个任务完成得更有效更经济。虽然当下的主力望远镜一般还是沿用赛路里桁架，尚处在设计图纸阶段的下一代巨镜已经开始“离经叛道”了，纷纷抛开传统的桁架式镜筒，转而采用更为接近射电望远镜的设计。这样做的理由当然是庞大的望远镜体积和主动光学技术的成熟。如此看来，也许桁架只是望远镜发展过程中出现的过渡结构吧，虽然它发挥过（以及正在发挥）的作用实在是不小。

欧洲计划中的42米望远镜效果图（图片提供：ESO）

　

参考资料：

[1] Telescope design - simple tools and construction techniques
[2] http://celt.ucolick.org/greenbook/ch07.pdf
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Serrurier_truss
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Truss
[5] Design of a Modified Serrurier Truss for an Optical Interferometer, Keith Doyle & Dan Vukobratovich, 1992
[6] Truss
[7] Reflecting Telescopes