大型射電望遠鏡索網中心反射面單元結構的設計

河北華通通信系統工程有限公司 石家莊 050081

1 設計背景

500 m口徑大型球面射電望遠鏡[1]的研制是國家重大科技基礎設施項目，是世界上最大的單口徑球面射電望遠鏡，主要由主動反射面、接收機與終端、饋源支撐、測量與控制等系統組成[2]。

由于饋源艙入港、停靠平臺及其設施站位的需要，必須在索網中心預留正五邊形空間，同時要求在觀測時對正五邊形孔進行遮擋，并使其參與反射面的整體變位，因此索網中心反射面單元應具有兩個功能[3]：①在饋源艙入港停靠期間，五個反射面單元能夠移開，形成饋源艙入港停靠所需的正五邊形孔；②在觀測時五個反射面單元能夠歸位，形成具有完整功能和表面精度的反射面單元，參與反射面的整體變位。

為了滿足上述兩個功能，采用升降旋轉機構，在每塊反射面單元的底邊中部位置設置升降旋轉座架，反射面單元和升降旋轉座架共同稱為索網中心反射面單元，如圖1所示。

索網中心反射面單元設置在主動反射面中心底部的望遠鏡中心處，反射面在該處留有內切圓直徑為16.8 m的正五邊形孔，中心安裝五塊反射面單元，另外還有促動器、立柱、支撐環架、下拉索、工藝滑輪、滑輪支撐裝置、牽網等結構。反射面單元覆蓋狀態如圖2所示。

▲圖1 索網中心反射面單元

2 索網中心反射面單元組成

在饋源艙入港或離港時，反射面單元采用升降旋轉方式，能快速展開和恢復，同時滿足簡單、可靠、易維護的要求。在反射面單元厚度不超過600 mm的前提下，采用鋁合金型材，質量輕，并且有一定的保形能力。

▲圖2 反射面單元覆蓋狀態示意圖

索網中心反射面單元升降旋轉機構的功能是將各塊反射面單元旋轉至外側工作面上部，打開正五邊形空間。

索網中心反射面單元主要由升降旋轉座架、反射面單元及其它附屬設施組成，如圖3所示。

▲圖3 索網中心反射面單元組成

3 運動原理

索網中心反射面單元的升降旋轉座架有兩組機構，第一組包括一臺升降旋轉座架，對應于第五塊反射面單元，第二組包括四臺升降旋轉座架，對應前四塊反射面單元。第一組升降旋轉座架除了升降高度比第二組的四臺高0.6 m外，其它結構和原理完全一致。五臺升降旋轉座架由統一的伺服控制系統控制，依次準確展開和恢復。升降旋轉座架內立柱的末端裝有一個滾動軸承，與外立柱的導向槽相配合，使內立柱按既定的方位豎直升降到一定高度后再旋轉指定角度。反射面單元布局如圖4所示，運動如圖5所示，圖5中實線為展開，虛線為恢復。

▲圖4 反射面單元布局

▲圖5 反射面單元運動示意圖

4 升降旋轉座架設計

4.1 行程計算

升降旋轉座架的運動分為直線運動和螺旋運動，根據總體設計，升降立柱需要兩種規格，前四塊反射面升降的行程一樣，第五塊反射面升降的行程較長，具體如圖6所示。

4.2 結構

升降旋轉座架是實現反射面單元升降旋轉的主要設備，由固定座和升降旋轉立柱等組成。因反射面單元行程的不同，需要配備兩種升降旋轉座架。前四塊反射面行程一致，對應短行程升降旋轉座架，第五塊反射面對應長行程升降旋轉座架。這兩種座架結構形式一致，筆者在此主要介紹長行程升降旋轉座架。

▲圖6 升降旋轉座架行程

升降旋轉座架是反射面單元展開和恢復的主要運動機構，由外立柱、內立柱、尼龍滑套、對接板、滾動軸承、螺旋升降裝置及接近開關等組成，基座通過鋼筋混凝土基礎與地基相連，外立柱上法蘭內側和螺母外側裝有尼龍滑套，內立柱頂端裝有對接板。螺母靠近接近開關時，電機停止轉動，避免發生碰撞[4]。升降旋轉座架結構如圖7所示。

▲圖7 升降旋轉座架結構

4.3 工作原理

升降工作通過螺旋升降裝置實現，具有自鎖功能。在外立柱的上法蘭中裝有尼龍滑套，與內立柱形成上滑動副。在內立柱的末端安裝滾動軸承，與外立柱的內壁形成下滑動副，通過上下滑動副實現內立柱軸向的雙點定位[5-6]。

在內立柱的末端裝有一個滾動軸承，與外立柱的導向槽相配合，使內立柱按既定的方位豎直升降到一定高度后旋轉指定角度。

4.4 螺旋升降裝置組成及計算

螺旋升降裝置由電機、減速機、右旋絲杠螺母副組成，螺母固定在內立柱的底面，工作時，電機轉動，驅動減速機帶動右旋絲杠旋轉，使螺母和內立柱沿著外立柱的內壁上升、下降。當內立柱升降到接近開關位置時，電機斷電。

內立柱的最大行程為2 300 mm，速度為4 mm/s。右旋絲杠公稱直徑為100 mm，導程為16 mm。減速機速比為100∶1。升降旋轉座架電機選型計算如下。

（1）電機驅動力矩。螺紋升角φ=arctan[L/（πd2）],L 為導程，L=16 mm，d2為螺紋中徑，d2=93 mm，則 φ=arctan[16/（3.14×93）]=3.136°。

當量摩擦角 ρ′=arctan[μs/cos（α/2）]，μs為螺旋副摩擦因數，μs=0.08～0.1，α 為螺紋牙形角，α=30°， 則 ρ′=arctan[0.1/cos（α/2）]=5.91°。

式中：Famax為螺旋升降裝置承受的最大軸向質量，Famax=2.5 t。

所需的電機輸出力矩Tm為：

式中：η1為電機的傳動效率為，η1=0.9；i為減速比。

（2）電機功率。電機的輸出功率P為：

式中：Vmax為螺旋升降裝置的最大速度，Vmax=4 mm/s；k為電機安全因數，k=1.5；η2為螺旋升降裝置和電機的傳動效率，η2=0.12。

可見，電機功率選擇1.5 kW。

（3）電機轉速選取1 400 r/min，能滿足升降立柱的升降速度要求。

綜上所述，電機選用功率為1.5 kW、轉速為1 400 r/min的交流電機，防護等級為IP65。

5 反射面單元設計

5.1 整體設計

反射面單元具有特殊結構，如圖8所示。依據測量基準點位置為 10 392 mm×12 215mm×10 392 mm，設計如下。

▲圖8 反射面單元結構

按照射電望遠鏡總體設計，索網中心反射面單元形狀為五個相同形狀的等腰三角形，完全覆蓋中心處的正五邊形孔。每個反射面單元的一個耳板匯交于一個中心節點，與中心促動器連接。每個反射面單元的另兩個耳板與正五邊形五個頂點處的節點連接，從而形成完整的反射面單元。這一反射面單元的厚度不應超過550 mm，面板精度均方根值不大于4 mm，滿足總體要求。

索網中心反射面單元的展開和恢復采用了剛度、強度十分可靠的旋轉方式，機構的承載能力強，所以對反射面單元的質量不需要特別的限制，在確保精度的前提下，盡量減輕質量，采用易于加工、成本低的材質。

5.2 面板結構

反射面單元的面板均采用1 mm厚的沖孔鋁板，經壓平、裁剪、激光切割、陽極氧化等工藝精加工后組成面板結構[7]，面板結構如圖9所示。

▲圖9 面板結構

5.3 背架結構

反射面單元的背架采用桁架結構，桁架結構均采用T形鋁材焊接而成。反射面單元的背架通過力學計算后，最終選擇50 mm×50 mm×3 mm T形鋁材和25 mm×25 mm×3 mm L形鋁材，局部采用 50 mm×50 mm×8 mm T形鋁材，焊接成片桁架，再焊接成桁架結構，如圖10所示。背架的特點是質量輕、剛度大、易加工、成本低、生產周期短、效率高、可靠性高。

▲圖10 背架結構

5.4 力學計算

根據需求，考慮載荷條件下天線的強度和剛度[8]。天線仿真分析采用ANSYS 12.0軟件，在模型簡化中，將天線作為質量元，忽略反射面的后端部分，即法蘭固定端的強度和剛度影響。劃分網格時，使用實體單元劃分主反射面，使用梁單元劃分網格[9-10]。在反射面三個角處加固定邊界條件，力學分析如圖11～圖13所示。

力學計算結果見表1，工況下最大位移滿足小于30 mm的要求，最大應力均滿足鋁材的許用應力要求，安全性較高。

表1 力學計算結果

▲圖11 反射面單元位移云圖

▲圖12 背架壓應力云圖

▲圖13 斜撐桿拉應力云圖

6 結論

筆者針對500 m口徑大型球面射電望遠鏡饋源艙入港停靠期間的需求。設計了索網中心反射面單元結構，應用ANSYS軟件建立反射面單元的模型，對反射面單元進行了力學分析。結果表明設計符合要求，為后續的生產制造和樣機試驗提供了依據和指導。