CN105958210A - Fast望远镜开孔式反射面单元及其开孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种巨型射电望远镜的配件，具体为FAST望远镜开孔式反射面单元及其开孔方法，上层为面板单元，下层为背架单元；背架单元采用三角形铝合金螺栓球空间网架结构；面板单元由若干块小的面板子单元组合而成；开孔式反射面单元的三个顶点通过连接装置安置于钢索编织成的索网上的反射面单元连接盘上，三个顶点分别释放移动约束；背架单元和面板单元上有洞口。根据观测的需要、开孔式反射面单元所处的倾斜角度等影响因素，归纳出具有普遍意义的计算公式；拟合出较为圆滑的椭圆形，减少了孔洞面积，增加了反射效率；通过连接于背架单元与面板单元间的调整装置，可以对反射面单元的面形精度进行调整。

Description

FAST望远镜开孔式反射面单元及其开孔方法
技术领域
本发明涉及一种巨型射电望远镜的配件，具体为FAST望远镜开孔式反射面单元及其开孔方法。
背景技术
FAST望远镜全称为500米口径球面射电望远镜(Five hundred metersAperture Spherical Radio Telescope，简称FAST)，是国家科教领导小组审议确定的国家九大科技基础设施之一。采用我国科学家独创的设计和我国贵州南部的喀斯特洼地的独特地形条件，建设一个具有25万平米反射面的高灵敏度的巨型射电望远镜。FAST作为世界最大的单口径望远镜，将在未来20至30年保持世界一流地位。全新的设计思路，加之得天独厚的台址优势，使其突破了望远镜的百米工程极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。
FAST反射面由4450块反射面单元组成。其中4272块单元为三角形单元，为普通类型的单元，另有23个测量基墩需要穿过反射面区域，在相应的位置对反射面单元进行开孔处理。而目前尚没有相关技术提供该开孔处理方法。
由于工程的反射面表面精度比较高，表面精度均方根≤2.5mm，并且处于年平均相对湿度约为81％的多雨的贵州山区，因此FAST反射面单元设计必须兼顾精度、刚度、强度、重量、防腐、成本、安装和运输等综合性能好的。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
针对上述技术问题，本发明提供一种FAST望远镜开孔式反射面单元及其开孔方法。
开孔式反射面单元，包括背架单元和面板单元两部分；上层为面板单元，下层起支承作用的为背架单元；背架单元采用三角形铝合金螺栓球空间网架结构；面板单元由若干块小的面板子单元组合而成；开孔式反射面单元的三个顶点通过连接装置安置于钢索编织成的索网上的反射面单元连接盘上，三个顶点的连接方式根据运动学分析，分别释放移动约束；
背架单元和面板单元上有洞口，测量基墩从洞口中穿过，观测过程中，反射面单元沿着其法线方向上下移动，测量基墩的圆心沿着开孔式反射面单元形心与大窝凼中心的连线相对移动。
所述的洞口确定方法，按照公式：
D＝(h+1200)tanα+B/cosα+2Δ
D—测量基墩干涉尺寸；
h—开孔式反射面单元厚度，≤600mm；
α—开孔式反射面单元倾斜角度；
B—测量基墩直径，取1290mm；
Δ—侧偏距离，取130mm。
在开孔式反射面单元上形成设计洞口，实施时，背架单元的杆件采取网架抽杆处理方式，形成不规则洞口，该不规则洞口大于理论计算之洞口尺寸；次而，形成与背架单元不规则洞口相对应的面板单元洞口；再次，通过计算分析得出不规则洞口与理论洞口相比缺失的部分，形成不规则蒙板，通过蒙板来拟合形成理论计算所得之洞口。
开孔式反射面单元一个顶点角部的三角形子单元为翻转结构；该三角形子单元的底边以及其临近的三角形子单元底边的通过两个合页连接，拼装时，该三角形子单元先不与其下的背架单元螺栓连接，将其翻折到其临近的三角形子单元上；吊装到索网上的反射面单元连接节点上后，将其翻折回位，通过螺栓连接的方式与背架单元连接就位。
本发明提供的FAST望远镜开孔式反射面单元及其开孔方法，根据观测的需要、开孔式反射面单元所处的倾斜角度等影响因素，归纳出具有普遍意义的计算公式；采用了悬挑式面板，拟合出较为圆滑的椭圆形，减少了孔洞面积，增加了反射效率；背架单元利用杆件的长短不同，调整荷载传递，预留洞口。通过连接于背架单元与面板单元间的调整装置，可以对反射面单元的面形精度进行调整。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的局部结构示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，开孔式反射面单元，包括背架单元和面板单元两部分；上层为面板单元，下层起支承作用的为背架单元。背架单元采用三角形铝合金螺栓球空间网架结构。
三角形铝合金螺栓球空间网架结构，具体是：三角形所指的是投影平面视图为三角形。铝合金是指所涉及的反射面单元采用的材质均为铝合金，其中背架单元的杆件采用6061-T6，背架单元的螺栓球采用2A12-T42，面板单元的檩条采用6061-T6，冲孔铝板采用5052。螺栓球空间网架是指所涉及的反射面单元的结构形式为螺栓球空间网架而非焊接空间网架，进一步，空间网架同结构工程中的空间网架，此外，该空间网架采用的是三角锥空间网架。
面板单元由铝合金檩条以及铝合金拼接板构成骨架，在骨架上用抽芯铝铆钉铆接上透孔率为50％(孔的直径为5mm，中心距为6.7mm)、厚度为1mm的铝板。两层之间通过调整装置连接。背架单元的三个角上有连接装置，同过连接装置可以连接到主索网上的反射面单元连接盘上。
调整装置除了起连接面板单元和背架单元作用外，还具有调整面板单元表面和背架单元上表面之间的距离的作用，调整该距离是为了调整面板单元上表面的拟合面形精度。
三个顶点通过连接装置安置于钢索编织成的索网上的反射面单元连接盘上，三个顶点的连接方式根据运动学分析，分别释放移动约束；
连接装置，有三种类型，对应0号、1号、2号节点分别称为0号、1号、2号连接装置，分别为释放0个、1个、2个移动约束。即，0号节点有三个转动自由度、1号节点可以沿着反射面单元的角平分线滑动，2号节点可以沿着角平分线方向以及其垂直方向滑动。
面板单元上有洞口，测量基墩从洞口中穿过，观测过程中，测量基墩的圆心沿着与大窝凼中心的连线移动。
按照公式：
D＝(h+1200)tanα+B/cosα+2Δ
D—测量基墩干涉尺寸；
h—开孔式反射面单元厚度，≤600mm；
α—开孔式反射面单元倾斜角度；
B—测量基墩直径，取1290mm；
Δ—侧偏距离，取130mm。
此处洞口是指开孔反射面单元所开的孔洞。每块开孔式反射面单元所处的位置不同，其倾斜角度也不同，观测过程中，开孔式反射面单元沿着其法线法向方向平动，测量基墩穿过开孔式反射面单元干涉的区域为长圆形，上述公式所指的D即为该过程中的长圆形的长轴尺寸。
几个符号的说明：
D，根据公式计算出一个圆形的洞口，该符号代表测量基墩对开孔式反射面单元沿运动方向的干涉尺寸，方向由设计图的图纸得出，投影近似指向圆心位置；
h，代表该类型开孔式反射面单元的总厚度，包含空间铝合金螺栓球网架型式的背架单元的厚度和其上的铝合金面板单元的厚度；
α，由于FAST反射面为一球面，运行过程中呈瞬时抛物面，因此，开孔式反射面单元在不同位置具有不同的倾角，倾角在3.8°～43°；
B，与开孔式反射面单元干涉的测量基墩的直径，定值1290mm；
Δ，在FAST望远镜运行过程中，随着球面变抛物面(300m口径)，开孔式反射面单元会发生侧偏，取侧偏值为130mm。
在测量基墩上有供攀爬到顶部的爬梯，为保证人能从底部通过反射面，洞口需要预留供人通过的空间，因此洞口需要沿着圆周方向外扩800mm。洞口调整后近似为一个椭圆形。
背架单元构件布置完成后，使用悬挑面板形成近似椭圆形的洞口。
在未进行观测时，开孔式反射面单元处于半径为300米的球面上，该球面称为中性面；
观测过程中，反射面将由球面变成抛物面，在下拉索的牵拉下，开孔式反射面单元沿着法线方向相对于中性面升高或降低；
开孔式反射面单元有三个极限位置：最高端、中性面、最低端，测量基墩对其干涉。
在开孔式反射面单元上形成设计洞口，实施时，背架单元的杆件采取网架抽杆处理方式，形成不规则洞口，该不规则洞口大于理论计算之洞口尺寸；次而，形成与背架单元不规则洞口相对应的面板单元洞口；再次，通过计算分析得出不规则洞口与理论洞口相比缺失的部分，形成不规则蒙板，通过蒙板来拟合形成理论计算所得之洞口。
如图2所示，开孔式反射面单元一个顶点角部的三角形子单元1为翻转结构；该三角形子单元1的底边以及其临近的三角形子单元3底边的通过两个合页2连接，拼装时，该三角形子单元1先不与其下的背架单元螺栓连接，将其翻折到其临近的三角形子单元3上；吊装到索网上的反射面单元连接节点上后，将其翻折回位，通过螺栓连接的方式与背架单元连接就位。

Claims (4)

1.开孔式反射面单元，其特征在于：包括背架单元和面板单元两部分；上层为面板单元，下层起支承作用的为背架单元；背架单元采用三角形铝合金螺栓球空间网架结构；面板单元由若干块小的面板子单元组合而成；开孔式反射面单元的三个顶点通过连接装置安置于钢索编织成的索网上的反射面单元连接盘上，三个顶点的连接方式根据运动学分析，分别释放移动约束；
背架单元和面板单元上有洞口，测量基墩从洞口中穿过，观测过程中，反射面单元沿着其法线方向上下移动，测量基墩的圆心沿着开孔式反射面单元形心与大窝凼中心的连线相对移动。
2.根据权利要求1所述的开孔式反射面单元，其特征在于：所述的洞口确定方法，按照公式：
D＝(h+1200)tanα+B/cosα+2Δ
D—测量基墩干涉尺寸；
h—开孔式反射面单元厚度，≤600mm；
α—开孔式反射面单元倾斜角度；
B—测量基墩直径，取1290mm；
Δ—侧偏距离，取130mm。
3.根据权利要求2所述的的开孔式反射面单元，其特征在于：在开孔式反射面单元上形成设计洞口，实施时，背架单元的杆件采取网架抽杆处理方式，形成不规则洞口，该不规则洞口大于理论计算之洞口尺寸；次而，形成与背架单元不规则洞口相对应的面板单元洞口；再次，通过计算分析得出不规则洞口与理论洞口相比缺失的部分，形成不规则蒙板，通过蒙板来拟合形成理论计算所得之洞口。
4.根据权利要求1所述的的开孔式反射面单元，其特征在于：开孔式反射面单元一个顶点角部的三角形子单元(1)为翻转结构；该三角形子单元(1)的底边以及其临近的三角形子单元(3)底边的通过两个合页(2)连接，拼装时，该三角形子单元(1)先不与其下的背架单元螺栓连接，将其翻折到其临近的三角形子单元(3)上；吊装到索网上的反射面单元连接节点上后，将其翻折回位，通过螺栓连接的方式与背架单元连接就位。
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