CN102324625A - 射电望远镜主动反射面结构 - Google Patents

Abstract

射电望远镜主动反射面结构，在面板支撑背架上设有面板主动调整机构，面板主动调整机构上设置有反射面板单元，特征是反射面板单元由主动反射面板与从动反射面板组成，其中主动反射面板与面板主动调整机构连接；从动反射面板通过面板连接节点机构与主动反射面板相互联接；从面板通过三个角点由主动反射面板支撑/带动，进行被动位移。本发明提出了创新的主-从概念的射电望远镜主动反射面面板结构，有别于每块子镜单元都要有一套独立多自由度调整机构的高成本模式；也有别于促动器柔性联接杆与相邻面板固定联接使面板易遭受过约束应力的缺陷。本发明降低支撑机构的了复杂程度和避免面板之间的过约束应力。

Description

射电望远镜主动反射面结构

技术领域

本发明属天文望远镜领域，涉及射电望远镜主动反射面的技术，具体涉及一种射电望远镜主动反射面结构。 

背景技术

现代射电望远镜口径越来越大，观测波段又往往要求越来越短，为克服重力变形和热变形, 修正反射面的面形，提高天线效率，确保望远镜的工作性能，射电望远镜的研制广泛采用面板主动调整技术。如图1所示结构，在面板支撑背架C与反射面板单元A之间加入面板主动调整机构B，以校正背架重力变形和热变形等因素引起的反射面形误差，或实现反射面某种要求的面形。

目前，应用主动面板技术的射电望远镜仍多采用扇环面板，并且在大多数情况下，相邻面板的角点（通常为4块相邻面板的相邻四角）联接在一起，并由一个位移促动器驱动（在此称之为“共享位移促动器设计”），以调整面板的一个法向位移和两个方向的倾斜，共三个自由度。位移促动器的分布如图2所示，这样平均每一块面板需一套位移促动器调整机构。

射电望远镜一般都采用上述共享位移促动器方法来设计其主动面板系统，即相邻的面板角点由一个共享的位移驱动器联接在一起并实现位移驱动。从机构学的观点来看，这种面板支撑系统是超静定的，即在位移促动器工作时，面板将遭受过约束应力，该应力将引起高精度面板的变形。为缓解共享促动器设计带来的这种缺点，面板与位移促动器相连的支撑构件一般必须设计得具有一定的侧向柔性以减轻不可预知的过约束应力。

发明内容

为了克服现有技术中射电望远镜主动反射面技术的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种射电望远镜主动反射面结构，该结构的突出特点是能够对每块面板的六个自由度都进行主动调整或被动调整，使得射电望远镜反射面的面形更为精确；对于同样反射面板数量的望远镜，可大大减少调整机构的数量，使得望远镜的机电控制复杂程度降低，制造成本下降，运行可靠性提高。

完成上述发明任务的方案是，一种射电望远镜主动反射面结构，拼接面板单元安装在面板主动调整机构上，主动调整机构安装在背架结构上。其特征在于，所述的反射面板单元区分为主动反射面板（或称为“与主动调整机构连接的主动反射面板”，简称主动板或主面板）与从动反射面板（或称为“不与主动调整机构连接的被动反射面板”，简称被动板或从面板），其中的主动反射面板与面板主动调整机构连接，接受面板主动调整机构的位移控制；所述的从动反射面板通过面板连接节点机构（或称为相邻面板之间的连接机构，或简称面板节点机构，或节点）与主动反射面板相互联接；从动反射面板通过三个角点由主动反射面板支撑/带动，进行被动位移。

所述的节点机构的设置方式是：主动反射面板与从动反射面板间隔设置，并保证每块从动反射面板上至少连接有三个面板连接节点机构。

以上方案中，所述的“从动反射面板通过面板连接节点机构与主动反射面板相互联接”，其方式有以下几种：

1、基板、摆臂连接方式：在一基板上，旋转对称地设置若干根摆臂（对于六边形面板，是在一基板上，旋转对称地设置3根摆臂；对于三角形面板，则为在一基板上，旋转对称地设置6根摆臂）；摆臂通过柱铰连于节点基板，摆臂的另一端通过球铰与各个面板相连。这样，每块面板由3组摆臂机构支撑和定位，而支撑同一块面板的3组摆臂机构分别安装连接于3个面板连接节点之上。

2、二力杆简支式面板节点和支撑机构方式：每个面板连接节点机构上旋转对称地安装若干对二力杆机构（对于六边形面板，是在一基板上，旋转对称地设置3根摆臂；对于三角形面板，则为在一基板上，旋转对称地设置6根摆臂）；每对二力杆的一端分别通过2个虎克铰与节点基板相连，每对二力杆的另一端通过共同的1个球铰与面板的角点相连。这样，每块面板通过3对二力杆机构进行简支和定位；而支撑同一块面板的3对二力杆机构分别安装连接于3个面板连接节点之上。

3、弹性片式面板支撑机构方式：每个面板连接节点机构上旋转对称地安装若干片薄的弹性片（对于六边形面板，每个面板节点上旋转对称地安装3片薄的弹性片；对于三角形面板，则每个面板节点上旋转对称地安装6片薄的弹性片；该弹性片的顶角取55 -65度）；每片薄的弹性片的底边与节点基板固连，每片薄的弹性片的顶点与面板的角点固连。即，用薄的弹性片机构来代替第二种方案中的二力杆机构。利用薄弹片的面内良好的刚度和法向良好的柔性来实现二力杆机构提供的简支特性。这种弹性片式支撑方案，结构和工艺更为简洁。但弹性片的厚度需要通过设计计算适当选取。

换言之，本发明解决技术问题所采用的技术方案是：首先提出一种主-从概念的主动反射面结构方案。如图3（面板外形为三边形）和图4（面板外形为六边形）所示，其中“主面板”即是主动反射面板，能够进行六个自由度位移；其周围安装有“从面板”，即从动反射面板，或称被动面板；主-从面板之间通过专门设计的面板连接节点机构相互联接，且必须能够释放面板过约束应力。这样，从面板通过三个角点由主面板支撑/带动，从而满足了一个刚体（即从面板）的刚性运动学只是取决于三点（其三个相邻主面板的三个角点）的力学原理，即，当主面板由某种六自由度机构主动调整到正确的位置，从面板会自然达到正确的位置。主-从概念的主动面板具有明显的优点，如可校正面板的所有六个自由度上的位移误差，避免面板过约束等问题，并且可望降低造价。

然后，本发明提出了3种面板连接机构及面板支撑机构方案。面板连接机构，下文称为“节点”，用来连接和定位被动面板，并传递面板之间的运动。图5、图6和图7所示为本发明提出摆臂式面板连接节点机构和面板支撑机构方案。以六边形面板为例，在一基板上，旋转对称地设置3根摆臂（对于三角形面板，则为6根摆臂），摆臂的长度和摆角大小按具体设计要求确定。摆臂通过柱铰连于节点基板，摆臂的另一端通过球铰于面板相连。这样，每块面板由3组摆臂机构支撑和定位，而支撑同一块面板的3组摆臂机构分别安装连接于3个面板连接节点之上。

图8和图9所示为本发明提出的第二种面板连接节点机构和面板支撑机构方案，称之为二力杆简支式面板节点和支撑机构方案。以六边形面板为例，每个面板节点上旋转对称地安装3对二力杆机构（对于三角形面板，则为6对二力杆）。二力杆的长度和每对二力杆之间的夹角大小（一般取55 -65度）按具体设计要求确定。每对二力杆于一端分别通过2个虎克铰于节点基板相连，另一端通过共同的1个球铰与面板的角点相连。这样，每块面板通过3对二力杆机构进行简支和定位；而支撑同一块面板的3对二力杆机构分别安装连接于3个面板连接节点之上。

图10为本发明提出的第三种面板连接节点和面板支撑机构方案，称之为弹性片式面板支撑机构方案。即，用薄的弹性片机构来代替第二种方案中的二力杆机构。利用薄弹片的面内良好的刚度和法向良好的柔性来实现二力杆机构提供的简支特性。这种弹性片式支撑方案，结构和工艺更为简洁。但弹性片的厚度需要通过设计计算适当选取。

上述三种面板节点和支撑设计方案均具有如下特点和优点：

⑴．原理清晰明了、结构对称紧凑；

⑵．满足对面板的法向和侧向的支撑和定位的要求；

⑶.当主面板发生位移时，或因热膨胀、重力和风载等因素造成面板连接节点发生位移时，均可由面板支撑机构的被动运动来补偿，而不会对面板产生附加负载，从而不会破坏面板或破坏面板的面形；

⑷.仅由3个具有3个旋转自由度的球铰或弹性钢片联接于面板，从而允许面板本身的任意变形，并且面板本身内部的变形和应力也得到释放，从而不会有应力传递至面板连接节点，这意味着不影响主动反射面主动运动调整机构的工作应力和状态。

本发明的特色与创新之处在于：提出了创新的主-从概念的射电望远镜主动反射面面板结构，有别于光学望远镜的每块子镜单元都要有一套独立多自由度调整机构的高成本模式；也有别于现有技术的主动反射面技术的促动器柔性联接杆与相邻面板固定联接使面板易遭受过约束应力的缺陷。主-从概念的主动反射面系统在降低支撑机构的复杂程度和避免面板之间的过约束应力上，具有创新性和开拓性。

附图说明

图1 为射电望远镜主动反射面结构示意图；

图2 为现有技术的射电望远镜面板及其支撑结构示意图；

图3为本发明的面板为三边形的主-从概念主动面板结构示意图；

图4为本发明的面板为六边形的主-从概念主动面板结构示意图；

图5为摆臂式面板节点和支撑机构示意图一；

图6为摆臂式面板支撑机构示意图二；

图7为摆臂式面板节点和支撑机构示意图三；

图8为二力杆简支式面板支撑机构示意图一；

图9 为二力杆简支式面板节点和支撑机构示意图二；

图10为弹性片式面板支撑机构示意图；

图11 为应用主-从面板概念的30米口径主动反射面示例；

图12为摆臂式面板支撑应用示例。

具体实施方式

实施例1、射电望远镜主动反射面结构。

作为示例，将这一主-从面板概念应用于一个30m口径射电望远镜的设计。采用了角到角尺寸为1.5 m的六边形面板，共有438块面板，其中162块为主面板，276块为从面板。

参照图11和图12：六角形主面板1由主动调整机构驱动，带动面板连接节点机构2。在面板连接节点机构2上，面板支撑摆臂5一端通过柱铰4安装连接于面板连接节点机构2上，面板支撑摆臂5另一端通过球铰6连接和支撑六角形从面板3。

比较：在这情况下，经典的主动反射面射电望远镜将需要438x3=1314只精密位移促动器来完成1个法向平动和2个倾斜的位移驱动。而主-从概念的主动反射面结构，即使需要驱动每块面板的所有6个自由度上的位移，也只需162个六自由度机构，即162x6=972位移促动器。而如果也仅需要完成1个法向平动和2个倾斜的位移驱动，则仅需要486只位移精度位移促动器，相当于传统主动反射面的37％，这无疑是一个显著的经费节约，并且，主-从概念的主动反射面结构允许驱动面板的所有6个自由度上的位移，这是传统的主动反射面无法实现的。

Claims (9)

1.一种射电望远镜主动反射面结构，在面板支撑背架上设有面板主动调整机构，该面板主动调整机构上设置有反射面板单元，其特征在于，所述的反射面板单元由主动反射面板与从动反射面板组成，其中的主动反射面板与面板主动调整机构连接，接受面板主动调整机构的位移控制；所述的从动反射面板通过面板连接节点机构与主动反射面板相互联接；从动反射面板通过三个角点由主动反射面板支撑/带动，进行被动位移。

2.根据权利要求1所述的射电望远镜主动反射面结构，其特征在于，所述面板连接节点机构的设置方式是：主动反射面板与从动反射面板间隔设置，并保证每块三角形的从动反射面板上至少连接有三个面板连接节点机构。

3.根据权利要求1所述的射电望远镜主动反射面结构，其特征在于，所述的“从动反射面板通过面板连接节点机构与主动反射面板相互联接”，其方式是采用基板、摆臂连接方式：在一基板上，旋转对称地设置若干根摆臂；摆臂通过柱铰连于节点基板，摆臂的另一端通过球铰与各个面板相连：每块面板由3组摆臂机构支撑和定位，而支撑同一块面板的3组摆臂机构分别安装连接于3个面板连接节点机构之上。

4.根据权利要求3所述的射电望远镜主动反射面结构，其特征在于，所述的在一基板上，旋转对称地设置若干根摆臂，是指：对于六边形面板，是在一基板上，旋转对称地设置3根摆臂；对于三角形面板，则为在一基板上，旋转对称地设置6根摆臂。

5.根据权利要求1所述的射电望远镜主动反射面结构，其特征在于，所述的“从动反射面板通过面板连接节点机构与主动反射面板相互联接”，其方式是采用二力杆简支式面板节点和支撑机构方式：每个面板节点机构上旋转对称地安装若干对二力杆机构；每对二力杆的一端分别通过2个虎克铰与节点基板相连，每对二力杆的另一端通过共同的1个球铰与面板的角点相连。

6.根据权利要求5所述的射电望远镜主动反射面结构，其特征在于，所述的每个面板节点机构上旋转对称地安装若干对二力杆机构是指：对于六边形面板，每个面板节点上旋转对称地安装3对二力杆机构；对于三角形面板，则每个面板节点上旋转对称地安装6对二力杆；该每对二力杆之间的夹角取55 -65度。

7.根据权利要求1所述的六个自由度位移的射电望远镜主动反射面结构，其特征在于，所述的“从动反射面板通过面板连接节点机构与主动反射面板相互联接”，其方式是采用弹性片式面板支撑机构方式：每个面板节点机构上旋转对称地安装若干片薄的弹性片；每片薄的弹性片的底边与节点基板固连，每片薄的弹性片的顶点与面板的角点固连。

8.根据权利要求7所述的六个自由度位移的射电望远镜主动反射面结构，其特征在于，所述的每个面板节点机构上旋转对称地安装若干片薄的弹性片是指：对于六边形面板，每个面板节点上旋转对称地安装3片薄的弹性片；对于三角形面板，则每个面板节点上旋转对称地安装6片薄的弹性片；该每片薄的弹性片的夹角取55 -65度。

9.根据权利要求1~8之一所述的射电望远镜主动反射面结构，其特征在于，所述的主动反射面板与从动反射面板均采用角到角尺寸为1.5 m的六边形面板，共设有438块面板，其中162块为主动反射面板，276块为从动反射面板；其中的主动反射面板（1）由主动调整机构驱动，带动面板连接节点机构（2）；在面板连接节点机构（2）上，面板支撑摆臂（5）一端通过柱铰（4）安装连接于面板连接节点机构（2）上，面板支撑摆臂（5）另一端通过球铰（6）连接和支撑从动反射面板（3）。

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