CN107516768A - 一种基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜 - Google Patents

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钟杰
黄河
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    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
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Abstract

本发明涉及一种基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜，摒弃了传统全可动射电望远镜结构体系中的俯仰机构和方位座架，将射电望远镜反射面背架直接置于水面上，反射面背架中安装三个水箱，方位和俯仰方向上的运动通过水在水箱间定向流动来实现。有益效果：与以往全可动射电望远镜结构相比，结构自重大幅度下降，可节约建造成本。与以往全可动射电望远镜结构反射面背架的两点支承相比，反射面的面形精度会大幅度提高。基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜结构可以在海洋上建造，并可根据需要移动到需要的位置。

Description

一种基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，涉及一种基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜。
背景技术
射电望远镜是一种接收来自天体无线电信号的观测设备。由于地球大气层的吸收，来自天体的无线电信号只有波长在1mm到30m左右的部分才能到达地面，射电天文学的研究也主要是在这个波段进行。自贝尔实验室的工程师央斯基(K.G.Jansky)于1932年发现来自银河系中心的射电辐射以来，射电天文学为现代天文学研究做出了巨大贡献，如上世纪60年代的四大发现(类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射)均采用射电天文学方法观测得到。
目前全球分布着大约80多面口径在25m以上的射电望远镜，其中口径最大的全可动射电望远镜分别为：美国Green Bank 110m×100m射电望远镜和德国Bonn 100m射电望远镜。更为瞩目的另一种索网式射电望远镜为美国阿雷西博305m射电望远镜，它曾被科学家评为20世纪人类十大工程之首。而在我国贵州省平塘县喀斯特洼地，口径为500m的球冠状射电望远镜FAST作为我国的大科学工程，是当今世界上最具威力的单口径射电望远镜，其灵敏度将比美国阿雷西博射电望远镜提高2.25倍，预测在未来20～30年保持世界领先地位。阿雷西博射电望远镜和FAST虽然口径巨大，但反射面不可转动，其观测范围受到很大限制，此外，这两个射电望远镜需要特殊的地理环境，往往不可复制。因此，大口径、高精度的全可动射电望远镜仍然是当前射电天文学界的主要关注方向。
以往的全可动射电望远镜虽然在一定程度上实现了大口径与高精度的目的，但存在以下问题：
(1)由于射电望远镜结构体型过于庞大，在结构自重作用下反射面精度不能满足设计要求，采用现有全可动射电望远镜结构体系，已经很难突破110m口径；
(2)为追求大口径和高精度，虽经过科学的设计和优化，射电望远镜结构部分依然耗材巨大，难于批量建设；
(3)已有射电望远镜均建于陆地上，仅能观测陆地所对应的天区，对于广阔海洋所对应的天区，存在观测盲区。
因此，有必要发明一种新形式的射电望远镜结构，以期使射电望远镜从陆地走向海洋，降低建造成本，并突破110m口径。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜，克服现有射电望远镜结构体系的不足。
技术方案
一种基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜，其特征在于包括主反射面背架1、多个主反射面面板2构成的旋转抛物面的主反射面、促动器3、主反射面壳板4、多个装有水的水箱5、水6、中心体7、馈源8、副反射面面板11和多个水泵12；主反射面背架1的上弦节点通过促动器3与主反射面面板连接，主反射面背架1的下弦节点直接与球面的主反射面壳板连接，中心体7位于主反射面背架1的中心，馈源8位于中心体之上，副反射面面板11固定在馈源8上方的副反射面背架10上，副反射面背架通过多条撑腿9与主反射面背架相连；多个装有水的水箱以及多个水泵12均匀设置在主反射面背架的边缘环上，且通过水泵和管路实现水箱之间的相互串联，水箱内的水通过水泵从一个水箱抽至另一个水箱以改变整体结构的质心；所述水箱平面呈扇环形，内嵌于主反射面背架中，截面与主反射面背架边缘相符；所述副反射面面板是由若干块小面板组成的旋转双曲面。
所述水泵12设置在相邻两个水箱5之间，安装于水箱间的隔板下缘。
所述多个装有水的水箱5和多个水泵12为不少于三个。
所述主反射面背架采用空间网格结构形式，上弦节点位于同一个旋转抛物面上，下弦节点位于同一个球面上。
所述中心体是一圆管形结构，中心体与主反射面背架、主反射面壳板均相连。
所述撑腿为格构式结构。
所述副反射面背架为空间网格结构，与副反射面面板相连的节点位于同一个旋转双曲面上。
有益效果
本发明提出的一种基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜，摒弃了传统全可动射电望远镜结构体系中的俯仰机构和方位座架，将射电望远镜反射面背架直接置于水面上，反射面背架中安装三个水箱，方位和俯仰方向上的运动通过水在水箱间定向流动来实现。
与现有全可动射电望远镜结构相比具有如下有益效果：
1.本发明无以往全可动射电望远镜结构中的方位座架和俯仰机构，而是直接将反射面背架结构置于水面上，由主反射面壳板承受水的浮力，通过3个水箱中水的定向流动来改变整体结构的质心，进而实现整体结构在方位和俯仰上的运动。因此，与以往全可动射电望远镜结构相比，结构自重大幅度下降，可节约建造成本。
2.基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜结构为水面浮力支承，浮力作用在与水接触的球面上，与以往全可动射电望远镜结构反射面背架的两点支承相比，反射面的面形精度会大幅度提高。
3.已有射电望远镜均建于陆地上，仅能观测陆地所对应的天区，对于广阔海洋所对应的天区，存在观测盲区。基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜结构可以在海洋上建造，并可根据需要移动到需要的位置。
附图说明
图1为基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜结构的剖面图；
图2为基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜结构的俯视图；
图3为基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜结构的水箱布置图；
图4为基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜结构的水泵布置图；
图5为基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜结构的变位图；
图中：1-主反射面背架，2-主反射面面板，3-促动器，4-主反射面壳板，5-水箱，6-水，7-中心体，8-馈源，9-撑腿，10-副反射面背架，11-副反射面面板，12-水泵，13-水面。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明采用以下技术实施方案，基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜结构的剖面图、俯视图、水箱布置图、水泵布置图和变位图见图1-5，包括主反射面背架1、主反射面面板2、促动器3、主反射面壳板4、水箱5、水6、中心体7、馈源8、撑腿9、副反射面背架10、副反射面面板11和水泵12，每部分的具体位置见图1和图4。
主反射面背架的上弦节点通过促动器与主反射面面板连接，主反射面背架的下弦节点直接与主反射面壳板连接，主反射面壳板直接承受水的浮力，在主反射面背架的边缘环向均匀布置3个水箱，在每2个水箱间设置1台水泵，中心体位于主反射面背架中心，馈源位于中心体之上，4条撑腿上端与副反射面背架相连，4条撑腿下端透过主反射面面板与主反射面背架相连，副反射面与副反射面背架相连。
其中，所述主反射面背架采用空间网格结构形式，上弦节点位于同一个旋转抛物面上，下弦节点位于同一个球面上。
所述主反射面面板是构成主反射面的最小单元，所有主反射面面板位于同一个旋转抛物面上。
所述促动器两端分别与主反射面背架和主反射面面板相连，可随时伸长缩短，用于补偿主反射面面板由于结构姿态调整引起的变形。
所述主反射面壳板为一球面，位于主反射面背架之下，并与主反射面背架下弦节点直接相连，直接承受水的浮力。
所述水箱平面呈扇环形，内嵌于主反射面背架中，截面与主反射面背架边缘相符，水箱内装有一定体积的水。
所述水泵安装于水箱间的隔板下缘，可接收指令将水从一个水箱抽至另一个水箱，通过3个水泵的配合工作可改变整体结构的质心，从而控制整体结构在方位与俯仰方向上的运动。
所述中心体是一圆管形结构，中心体与主反射面背架、主反射面壳板均相连。
所述馈源位于中心体之上，用于接收无线电信号。
所述撑腿为格构式结构，用于支撑副反射面背架。
所述副反射面背架为空间网格结构，与副反射面面板相连的节点位于同一个旋转双曲面上。
所述副反射面面板是由若干块小面板组成的旋转双曲面。
来自天体的射电波经主反射面面板2和副反射面面板11两次反射后，被馈源8接收，由于地球自转的影响，为长时跟踪观测天体需要射电望远镜结构可随时调整主反射面的朝向，主反射面是由若干块主反射面面板2组成的旋转抛物面(见图2)。
本发明通过改变整体结构质心的方式来实现结构姿态的调整，具体的质心移动方式为基于水流动的变质心移动方案，水箱5中注水至设计水量，当3个水箱的水量相同时，射电望远镜指向天顶(见图1)。水泵12可将一个水箱中的水抽至另一个水箱，从而改变整体结构的质心，在重力的作用下整体结构将产生俯仰运动，当3个水泵配合工作时，结构的质心可以向任何方位移动，从而实现射电望远镜指向在方位和俯仰方向上的变化(见图5)，达到对空间目标跟踪观测的目的。
在主反射面背架1的每个上弦节点和主反射面面板2间均用促动器3连接，在整体结构变位的过程中，促动器3可随时伸缩以补偿结构在重力作用下的变形，使主反射面的精度保持在需求的范围内。
本发明摒弃了传统全可动射电望远镜结构体系中的俯仰机构和方位座架，将射电望远镜反射面背架直接置于水面上，反射面背架中安装三个水箱，方位和俯仰方向上的运动通过水在水箱间定向流动来实现。

Claims (7)

1.一种基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜，其特征在于包括主反射面背架(1)、多个主反射面面板(2)构成的旋转抛物面的主反射面、促动器(3)、主反射面壳板(4)、多个装有水的水箱(5)、水(6)、中心体(7)、馈源(8)、副反射面面板(11)和多个水泵(12)；主反射面背架(1)的上弦节点通过促动器(3)与主反射面面板连接，主反射面背架(1)的下弦节点直接与球面的主反射面壳板连接，中心体(7)位于主反射面背架(1)的中心，馈源(8)位于中心体之上，副反射面面板(11)固定在馈源(8)上方的副反射面背架(10)上，副反射面背架通过多条撑腿(9)与主反射面背架相连；多个装有水的水箱以及多个水泵(12)均匀设置在主反射面背架的边缘环上，且通过水泵和管路实现水箱之间的相互串联，水箱内的水通过水泵从一个水箱抽至另一个水箱以改变整体结构的质心；所述水箱平面呈扇环形，内嵌于主反射面背架中，截面与主反射面背架边缘相符；所述副反射面面板是由若干块小面板组成的旋转双曲面。
2.根据权利要求1所述基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜，其特征在于：所述水泵(12)设置在相邻两个水箱(5)之间，安装于水箱间的隔板下缘。
3.根据权利要求1或2所述基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜，其特征在于：所述多个装有水的水箱(5)和多个水泵(12)为不少于三个。
4.根据权利要求1所述基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜，其特征在于：所述主反射面背架采用空间网格结构形式，上弦节点位于同一个旋转抛物面上，下弦节点位于同一个球面上。
5.根据权利要求1所述基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜，其特征在于：所述中心体是一圆管形结构，中心体与主反射面背架、主反射面壳板均相连。
6.根据权利要求1所述基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜，其特征在于：所述撑腿为格构式结构。
7.根据权利要求1所述基于水流动的变质心水面浮动射电望远镜，其特征在于：所述副反射面背架为空间网格结构，与副反射面面板相连的节点位于同一个旋转双曲面上。
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