CN104638381B - Fast射电望远镜空间五等分反射面单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FAST射电望远镜空间五等分反射面单元，包括双层背架，背架整体呈三角形，每层均由若干个三角形结构单元组成，三角形结构单元由支撑杆通过关节球连接构成，上层每条边为五等分，下层每条边为四等分，两层中间设置有腹杆斜支撑，所述腹杆也连接在所述关节球上；以所述背架上层为基座安装有若干个面板子单元，面板子单元呈三角形，所述面板子单元通过节点支撑装置固定安装在背架上层的支撑杆和关节球上，节点支撑装置可调节对所述面板子单元的支撑高度，所述支撑杆、关节球、腹杆、面板子单元均采用铝合金制造。

Description

FAST射电望远镜空间五等分反射面单元

技术领域

本发明涉及一种FAST射电望远镜反射面单元，是射电望远镜反射面的组成部分。

背景技术

FAST为500m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Sphericalradio Telescope)的简称，为国家重大科学工程，目前正在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村大窝凼洼地建造中。本工程利用大窝凼天然喀斯特洼地作为望远镜的台址，建造世界最大单口径射电望远镜。

FAST主动反射面基准面是一个口径500m、半径300m的球面，由主体支承结构、促动器、反射面单元组成。主动反射面主体支承结构由圈梁和格构柱以及格构柱基础、主索网、下拉索组成。主索网为短程线型三角形网格。反射面单元安装在主索网上，边长约为10.4m～12.4m，数量约4300个。

FAST反射面单元设计、技术主要要求：

设计使用年限：30年；反射面单元曲率半径：315m；拼装调整后面形精度：RMS﹤2.5mm；使用环境：户外、多雨。

为满足FAST反射面单元的技术要求，因此必须设计一种精度、刚度、强度、重量、防腐、成本、安装和运输等综合性能好的FAST反射面单元。前期主要采用传统设计理念进行了一些不同结构形式反射面单元的研制，例如：单层钢背架反射面单元，这种单元变形与重量较大；弦支预张拉钢背架反射面单元，这种单元变形大、稳定性差；角钢栓接空间钢背架反射面单元，这种单元安装效率低，重量大，防腐性能差。以上几种传统类型均不能满足FAST的使用需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种改进的FAST反射面单元，该反射面单元设置有双层背架，上层为五等分，下层为四等分，均采用铝合金材质，面板子单元由铝合金面板铆接在铝合金方管檩条上组成，本发明采用全铝空间结构，较大程度的降低了自重，因此降低了支撑结构的制造成本及其安装、运输成本；由于本发明采用了铝合金材料，其本身具有良好的防腐能力，不需要再进行其它防腐措施即可满足FAST的防腐要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

FAST射电望远镜空间五等分反射面单元，包括双层背架，背架整体呈三角形，每层均由若干个三角形结构单元组成，三角形结构单元由支撑杆通过关节球连接构成，上层每条边为五等分，下层每条边为四等分，两层中间设置有腹杆斜支撑，所述腹杆也连接在所述关节球上；以所述背架上层为基座安装有若干个面板子单元，面板子单元呈三角形，所述面板子单元通过节点支撑装置固定安装在背架上层的支撑杆和关节球上，节点支撑装置可调节对所述面板子单元的支撑高度，所述支撑杆、关节球、腹杆、面板子单元均采用铝合金制造。

进一步，所述面板子单元设置有三角形铝合金穿孔面板，所述面板背面沿着每条边均设置有支撑檩条，所述檩条为铝合金矩形管，所述面板通过铝合金铆钉固定在所述檩条管壁上，相邻檩条在面板顶角处设置铝合金连接板连接；所述支撑杆、腹杆均为铝合金圆管。

进一步，所述面板采用铝合金网代替。

进一步，所述面板上的穿孔直径5mm，两孔中心距6.7mm。

进一步，所述节点支撑装置包括铝合金托盘，所述托盘下方设置高度可调节的支撑座，该支撑座与所述背架上层的支撑杆和关节球连接固定；所述托盘上设置若干连接孔，分别连接支撑座和所述面板子单元，每个托盘同时连接3个或6个所述面板子单元。

进一步，所述支撑座包括螺杆，螺杆轴线垂直所述托盘的盘体，通过成对螺母与所述托盘连接，对所述螺母调节即可以调节螺杆对托盘的支持高度；所述支撑座下方通过所述螺杆连接所述关节球，或者设置卡具连接所述背架上层支撑杆；所述面板顶角处的连接板与所述托盘通过螺栓连接。

进一步，所述支撑座还包括连接座，该连接座为铝合金矩形管，矩形管上下管壁均设置连接孔，所述螺杆通过成对螺母与连接座下管壁连接固定，所述托盘通过螺栓与连接座上管壁连接固定，对所述螺母调节即可以调节螺杆对托盘的支持高度；或者所述螺杆分为上、下螺杆，中间通过套筒连接，该套筒内壁上下两端均带有螺纹，旋转所述套筒即可以调节螺杆对托盘的支持高度，所述套筒外壁中部设置有卡接槽连接旋转工具。

进一步，所述卡具包括半圆形上、下轭块，上、下轭块通过螺栓连接；或者所述卡具包括U型螺栓和压块，U型螺栓两端带螺纹，和压块通过螺母连接。

进一步，所述背架的支撑杆、腹杆的铝合金型号为6061-T6；所述关节球的铝合金型号为2A12；所述穿孔面板、铝合金网的铝合金型号为5050；所述连接板的铝合金型号为2A12。

进一步，所述背架顶角处伸出端杆连接射电望远镜主索网，所述端杆连接在所述关节球上。

采用上述结构设置的FAST反射面单元，具有以下优点：

1、创造性的将轻质、高强度且刚度大的空间铝合金网架应用到巨型射电望远镜上。

2、采用的空间五等分铝合金背架反射面单元，增加了FAST反射面单元的刚度且减轻了重量、减少了螺栓关节球种类及数目，提高了经济性。

3、采用的铝合金背架反射面单元，解决了FAST反射面单元防腐的问题。

4、背架采用了铝合金螺栓关节球网架结构，使得FAST反射面单元安装运输更方便。

5、设计了易于调整面形的节点支撑装置，解决了FAST反射面单元的面形精度调整问题。

附图说明

图1为本发明所采用的背架上弦结构图；

图2为本发明所采用的背架下弦结构图；

图3为本发明所采用的背架腹杆结构图；

图4为网架上弦、下弦、腹杆组合成的背架结构图；

图5为本发明所采用的檩条组装结构图；

图6为本发明所采用的面板子单元结构图；

图7为面板子单元顶角部位放大图；

图8为面板子单元中檩条与穿孔铝板的组装结构图；

图9为面板子单元顶角部位与铝托盘的组装结构图；

图10为面板子单元顶角部位与铝托盘的组装结构图；

图11为面板子单元节点支撑装置的结构图；

图12为面板子单元节点支撑装置的结构图；

图13-16为面板子单元节点支撑装置所采用的轭块结构图；

图17-21为面板子单元节点支撑装置的结构图；

图22为11米等边反射面单元变形的仿真云图。

图中：1.背架上弦；1-1.支撑杆；1-2.关节球；2.背架下弦；2-1.支撑杆；2-2.关节球；3.腹杆；3-1.支撑杆；4.面板组合；5.面板子单元；5-1.穿孔面板；5-2.檩条；5-3.连接板；5-4.铆钉；6.托盘；6-1.螺钉；7.节点支撑装置；7-1.螺栓；7-2.连接座；7-3.螺杆；7-4.螺杆；7-5.套筒；7-6.上螺杆；7-7.下螺杆；7-8.加强座；8.卡具；8-1.上轭块；8-2.下轭块；9.U型卡具。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达到预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图和较佳实施例，对本发明的结构、特征以及功效详细说明如后。

本发明中所描述的FAST射电望远镜空间五等分反射面单元，结构如图1、图2、图3、图4所示，具体包括双层背架，背架整体呈三角形，每层均由若干个三角形结构单元组成，三角形结构单元由支撑杆通过关节球连接构成，上层每条边为五等分，下层每条边为四等分，两层中间设置有腹杆斜支撑，腹杆也连接在关节球上。

其中的支撑杆、关节球、腹杆均采用铝合金制造。支撑杆、腹杆的铝合金型号为6061-T6；关节球的铝合金型号为2A12，当然也可以根据实际需要选用其他铝合金型号。支撑杆、腹杆均为铝合金圆管,总数120根，截面尺寸为左右。

背架上层即图1中的背架上弦1，共包括25个三角形结构单元，部分支撑杆1-1和全部关节球1-2在三角形结构单元之间是共用的，所谓的空间五等分即是指背架上层每条边为五等分，因为以背架上层为基座安装有若干个面板子单元，背架上层是直接支撑结构。背架下层即图2中的背架下弦2，共包括16个三角形结构单元，部分支撑杆2-1和全部关节球2-2在三角形结构单元之间是共用的。

为什么不选择空间四等分或空间六等分的铝合金背架反射面单元？经仿真计算四等分的刚度小，变形大，不能满足使用要求，而六等分的虽然在刚度、强度上好于五等分，但其支撑杆件数及螺栓关节球数目及种类增加很多，这样会使制造费用和安装费用等增加很多，而五等分综合性能最好，是最优选择。

发明人针对空间五等分铝合金背架反射面单元分别制造了等边的和不等边的样机各一个，且对样机进行了安装及面形精度调整试验，加载、卸载试验及不同倾角的变形试验。试验结果均满足FAST使用要求。

如图5、图6、图11所示，本发明以背架上层为基座安装有若干个面板子单元5，面板子单元5呈三角形，面板子单元5通过节点支撑装置固定安装在背架上层的支撑杆和关节球上，节点支撑装置可调节对面板子单元5的支撑高度，面板子单元5采用铝合金制造。

如图7、图8所示，面板子单元5设置有三角形铝合金穿孔面板5-1，穿孔面板5-1背面沿着的每条边均设置有支撑檩条5-2，檩条5-2为铝合金矩形管，穿孔面板5-1通过铝合金铆钉5-4固定在檩条5-2管壁上，相邻檩条5-2在穿孔面板5-1顶角处设置铝合金连接板5-3连接。穿孔面板5-1上的穿孔直径5mm，两孔中心距6.7mm。

穿孔面板5-1也可以采用铝合金网代替。穿孔面板、铝合金网的铝合金型号为5050；连接板5-3的铝合金型号为2A12，当然也可以根据实际需要选用其他铝合金型号。

如图9、图10所示，节点支撑装置包括铝合金托盘6，参考厚度4mm，托盘6下方设置高度可调节的支撑座，该支撑座与背架上层的支撑杆和关节球连接固定；托盘6上设置若干连接孔，具体为中部设置有1个连接孔，围绕圆心又均布了6个连接孔，分别连接支撑座和面板子单元5，每个托盘6同时连接3个或6个面板子单元5。具体地，面板子单元5顶角处的连接板5-3与托盘6通过螺栓连接，该螺栓可以采用不锈钢材料。

对于使用在边角处的托盘6，可以适当将形状简化，例如设置成半圆形或扇形，连接孔也可以适当减少，例如围绕圆心设置2个或3个连接孔即可。

上述支撑座有多种实施方式，首先看图17所示，支撑座包括螺杆7-4，螺杆7-4轴线垂直托盘6的盘体，通过成对螺母与托盘6连接，对螺母调节即可以调节螺杆7-4对托盘6的支持高度，从而实现对反射面单元面形精度的调整；支撑座下方通过螺杆7-4连接关节球，或者设置卡具连接背架上层的支撑杆。此处的螺杆、螺母可以采用不锈钢材料。

如图11、图12、图19、图20所示，支撑座还包括连接座7-2，该连接座7-2为铝合金矩形管，矩形管上下管壁均设置连接孔，螺杆7-3通过成对螺母与连接座7-2下管壁连接固定，托盘6通过螺栓7-1与连接座7-2上管壁连接固定，对螺母调节即可以调节螺杆7-3对托盘6的支持高度。此处的螺杆、螺母可以采用不锈钢材料。

在图17所示结构的基础上，还可以在螺杆7-4上设置加强座7-8，如图21所示，加强座7-8为铝合金矩形管，矩形管上下管壁设置连接孔，螺杆7-4通过螺母分别固定在加强座7-8上、下管壁上，对螺母调节即可以调节螺杆7-4对托盘6的支持高度。

如图18所示，支撑座包括上螺杆7-6、下螺杆7-7，中间通过套筒7-5连接，套筒7-5内壁上下两端均带有螺纹，对套筒7-5旋转即可以调节螺杆对托盘6的支持高度，套筒7-5外壁中部设置有卡接槽连接旋转工具。此处的螺杆、套筒7-5可以采用不锈钢材料。

上述的卡具也有多种实施方式，首先如图12、图13、图14、图15、图16所示，卡具包括半圆形上轭块8-1、下轭块8-2，上、下轭块通过螺栓连接，中间可夹紧支撑杆，上轭块中部设置有螺纹孔连接螺杆7-3。上、下轭块优选铝合金型号2A12。

或者卡具包括U型螺栓和压块，U型螺栓两端带螺纹，和压块通过螺母连接，中间可夹紧支撑杆，压块相对U型螺栓的一侧设置有U型槽。U型螺栓和压块可选用不锈钢材料。

在本发明中，背架顶角处伸出端杆(未图示)连接射电望远镜主索网，端杆外端还需要设置轴承、轴承座等部件，固定或活动连接在主索网的总关节处。该端杆也连接在背架中的关节球上，端杆尺寸和材质可参考背架的支撑杆设置。

本发明中的反射面单元进行了大量的仿真分析计算，如自重变形及应力、不同风载作用下的变形及应力、温度作用下的变形及应力、各种荷载组合作用下的变形及应力等，仿真计算结果证明能满足FAST对反射面单元的各项技术要求。表1、表2为11米等边反射面单元的部分仿真分析计算结果，图22为11米等边反射面单元变形的仿真云图；由于本发明采用全铝空间结构，较大程度的降低了自重，因此降低了支撑结构的制造成本及其安装、运输成本；由于本发明采用了铝合金材料，其本身具有良好的防腐能力，不需再进行其它防腐措施即可满足FAST的防腐要求。

表1 11米等边反射面单元不同载荷作用下的变形

表2 11米等边反射面单元不倾角下的变形及应力

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.FAST射电望远镜空间五等分反射面单元，其特征在于，包括双层背架，背架整体呈三角形，每层均由若干个三角形结构单元组成，三角形结构单元由支撑杆通过关节球连接构成，上层每条边为五等分，下层每条边为四等分，两层中间设置有腹杆斜支撑，所述腹杆也连接在所述关节球上；以所述背架上层为基座安装有若干个面板子单元，面板子单元呈三角形，所述面板子单元通过节点支撑装置固定安装在背架上层的支撑杆和关节球上，节点支撑装置可调节对所述面板子单元的支撑高度，所述支撑杆、关节球、腹杆、面板子单元均采用铝合金制造；

所述面板子单元设置有三角形铝合金穿孔面板，所述面板背面沿着每条边均设置有支撑檩条，所述檩条为铝合金矩形管，所述面板通过铝合金铆钉固定在所述檩条管壁上，相邻檩条在面板顶角处设置铝合金连接板连接；所述支撑杆、腹杆均为铝合金圆管。

2.如权利要求1所述的反射面单元，其特征在于，所述面板采用铝合金网代替。

3.如权利要求1所述的反射面单元，其特征在于， 所述面板上的穿孔直径5mm，两孔中心距6.7mm。

4.如权利要求1所述的反射面单元，其特征在于，所述节点支撑装置包括铝合金托盘，所述托盘下方设置高度可调节的支撑座，该支撑座与所述背架上层的支撑杆和关节球连接固定；所述托盘上设置若干连接孔，分别连接支撑座和所述面板子单元，每个托盘同时连接3个或6个所述面板子单元。

5.如权利要求4所述的反射面单元，其特征在于，所述支撑座包括螺杆，螺杆轴线垂直所述托盘的盘体，通过成对螺母与所述托盘连接，对所述螺母调节即可以调节螺杆对托盘的支持高度；所述支撑座下方通过所述螺杆连接所述关节球，或者设置卡具连接所述背架上层支撑杆；所述面板顶角处的连接板与所述托盘通过螺栓连接。

6.如权利要求5所述的反射面单元，其特征在于，所述支撑座还包括连接座，该连接座为铝合金矩形管，矩形管上下管壁均设置连接孔，所述螺杆通过成对螺母与连接座下管壁连接固定，所述托盘通过螺栓与连接座上管壁连接固定，对所述螺母调节即可以调节螺杆对托盘的支持高度；或者所述螺杆分为上、下螺杆，中间通过套筒连接，该套筒内壁上下两端均带有螺纹，旋转所述套筒即可以调节螺杆对托盘的支持高度，所述套筒外壁中部设置有卡接槽连接旋转工具。

7.如权利要求5所述的反射面单元，其特征在于，所述卡具包括半圆形上、下轭块，上、下轭块通过螺栓连接；或者所述卡具包括U型螺栓和压块，U型螺栓两端带螺纹，和压块通过螺母连接。

8.如权利要求2所述的反射面单元，其特征在于，所述背架的支撑杆、腹杆的铝合金型号为6061-T6；所述关节球的铝合金型号为2A12；所述穿孔面板、铝合金网的铝合金型号为5050；所述连接板的铝合金型号为2A12。

9.如权利要求1所述的反射面单元，其特征在于，所述背架顶角处伸出端杆连接射电望远镜主索网，所述端杆连接在所述关节球上。