CN109244678B - 一种索系基础望远镜反射面结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种索系基础望远镜反射面结构，其包括：基础框架结构层、索系支撑结构层、位置调节机构层、固定层以及反射面板层。本发明的反射面结构中的索系结构为静态结构，不使用索的弹性变形作为功能变形量，因此不涉及巨大的内力，结构整体的可靠性大幅度增加。静态索系结构的设计选择大大增加，成本大幅度降低。本发明采用了位置调节机构调节反射面的位置和形状，对巨型反射面的保型设计要求大大降低。位置调节机构的运动端之间的耦合大幅度降低，负载大幅度降低，重量大幅度降低，可靠性大幅度提高，成本大幅度降低。该位置调节机构的技术难度将远低于前文背景技术中所描述的相应的技术难度。
Description
技术领域
本发明涉及大口径望远镜的反射面支撑结构领域，尤其是涉及一种索系基础望远镜反射面结构。
背景技术
无论光学望远镜还是射电望远镜，望远镜的集光能力随着口径增大而增强，其口径越大分辨率越高，也就能够看到更暗更远的天体，也就是能够看到更早期宇宙天体。因此，天体物理的发展需要更大口径的望远镜。反射式望远镜的主镜为物镜，物镜口径越大，进入镜头的光线越多，就能够看得更远，看得更细致。显然望远镜物镜口径的增大不是无限的。首先，口径越大，主镜本身越重，温度带来的形变以及自身重量引起的形变也会导致成像质量降低。其次，口径越大，加工制造越困难，安装和运行要求也越高。第三，一般而言，制造望远镜的费用与物镜口径平方或立方成正比，制造大口径望远镜必须在原理和技术方案等方面精心论证，确定性价比最合适的方案予以实施。
自上世纪七十年代以来，随着精密机械制造技术、光学技术、计算机技术以及自动控制技术等学科的发展，望远镜制造所受口径局限一再被突破，不同结构的大口径望远镜得以实现。其中综合起来最为典型的就是主动光学技术（含拼接镜面技术）的出现和应用，使望远镜的设计思想有了一个飞跃。国际上典型的大口径望远镜及采用主动光学技术的望远镜如下表所示：
| 名称 | 地址 | 类型 | 口径(米) | 拼接镜面 | 主动光学 |
| NTT新技术望远镜 | 智利 | 光学 | 3.5 | 无 | 采用 |
| VLT甚大望远镜 | 智利 | 光学 | 8.2 | 无 | 采用 |
| KECK望远镜 | 夏威夷 | 光学 | 10 | 采用 | 采用 |
| 大天区多目标光纤光谱望远镜LAMOST | 北京兴隆 | 光学 | 4 | 采用 | 采用 |
| 天马望远镜TMRT | 上海 | 射电 | 65 | 采用 | 采用 |
| 美国GBT望远镜 | 美国 | 射电 | 100 | 采用 | 采用 |
| 新疆奇台望远镜QTT/START | 新疆奇台 | 射电 | 110 | 采用 | 采用 |
| 德国Effelsberg望远镜 | 德国 | 射电 | 100 | 采用 | 无 |
| 意大利SRT望远镜 | 撒丁岛 | 射电 | 64 | 采用 | 采用 |
| 美国ARECIBO望远镜 | 波多黎各 | 射电 | 305 | 采用 | 无 |
| 贵州FAST望远镜 | 贵州 | 射电 | 500 | 采用 | 采用 |
目前，光学望远镜方面，国际上正在计划建设30米和42米口径的。
其中，射电望远镜方面，美国GBT望远镜是目前世界上采用主动反射面的最大全可动射电望远镜，新疆奇台望远镜QTT/START建成后将成为最大的采用主动反射面的最大全可动射电望远镜。
对于大口径望远镜，单纯优化反射面支撑结构，或采用高弹性模量材料等方法增加结构刚度，多会大幅增加结构重量和成本，甚至完全不可能。相对于这种刚性设计的局限，人们提出了保型设计的概念，保型设计的要点是使得变形更加均匀，获得组装后的抛物面焦点，以此为基础规划副面和后续光路，从而在降低成本的基础上，获得最佳的整体性能。
然而，随着望远镜口径的增大，保型设计也必然地遭遇到了瓶颈。为了天文观测的需要，人们将大口径望远镜的实现思路转向主动反射面设计，即通过主动变形机构，将主动反射面调整到需要的最佳面形，实现所需要的技术要求。
就主动反射面的实现思路而言，以射电望远镜为例，目前世界上大致有以下两类：
第一类：建立一套准刚性结构（这种结构可以是空间网架形式或实体材料等型式），在该准刚性结构上布设反射面面板，反射面面板与该准刚性结构之间通过若干套促动器机构在若干个需要调节位置的反射面面板相应位置进行连接。通过这些促动器即可精确调节反射面面板的位置，逼近所需要的面形精度技术要求。这一类的典型应用例子如美国GBT望远镜，上海天马TMRT望远镜，意大利SRT望远镜，和建设中的新疆奇台QTT/START望远镜。这类结构的特点是以准刚性结构为基础的，因此其尺寸必然受到限制，目前的口径局限在100米左右。
第二类：建立一套柔性结构（这种结构多为索系结构型式），在该柔性结构上布设反射面面板，反射面面板与该柔性结构之间在若干位置进行直接连接。而由于索系结构可以实现的尺寸一般可以巨大，如美国ARECIBO的305米和中国FAST的500米，一般索系结构需要连接在地面和或部分准刚性结构上。为描述方便，不妨将索系结构中连接到地面方向的索称为向地索，将索系结构中直接与反射面相邻的索称为向面索。如果需要进行主动反射面变形，通过安装在地面上的若干促动器，对向地索进行调节，即可实现对向面索节点的位置调节，从而实现对相应的反射面节点的位置调节，最终逼近所需要的面形精度技术要求，这正是中国贵州FAST望远镜的主动反射面所采取的型式。
美国ARECIBO望远镜，其反射面采取了索系结构型式，但是其没有通过促动器来调节索系结构节点的位置，所以没有形成主动反射面。ARECIBO采取的复杂精细的二次和三次反射面调节技术实现微弱天体信号的聚焦，其代价是反射面上方的相关设备重量巨大，约900吨，这限制了整个望远镜口径的进一步增加。
中国FAST望远镜，其反射面采取了索系结构型式，通过促动器来调节索系结构节点的位置，形成了主动反射面，大幅降低了反射面上方的相关设备的重量，大约30吨。如果采用重量类似于ARECIBO的型式，则该重量约9000吨，这是难以实现的。
但是FAST的索系结构中，通过促动器直接调节索节点的位置实现变形，将索系结构中的索作为功能弹性变形部件使用，需要专门研制相应的索，这大大增加了技术难度、成本及风险。索系结构在大弹性变形下，形成巨大内力，大大提高了对促动器的负载要求和地基的强度和位置形状要求，节点之间存在位置耦合，带来一系列技术难题需要克服，直接和间接地导致了成本的大幅度增加，以及整体可靠性的降低和可扩展性的降低。特别地，在更大口径的应用中，需要重新研制这样的索，相关的促动器和地面固连部件，可行性将会大幅度降低，甚至于不可实现。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种索系基础望远镜反射面结构，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种索系基础望远镜反射面结构，包括：基础框架结构层、索系支撑结构层、位置调节机构层、固定层以及反射面板层；其中，
所述基础框架结构层包括地面基础和/或建立在地面基础上的准刚性结构；
所述索系支撑结构层由向面索和向地索构成，若干所述向面索交织构成索网结构，向面索的交汇点形成向面节点；所述向地索的一端与所述基础框架结构层连接，另一端与所述位置调节机构层中的位置调节机构的底部或所述索网结构连接；
所述位置调节机构层包括若干所述位置调节机构，位置调节机构的固定端连接至所述向面节点，位置调节机构的运动端连接至所述反射面板层中的反射面单元的面形调整点上，以驱动所述反射面单元，进而调整反射面板层的形状及位置；
所述固定层包括若干固定索，所述固定索的一端连接在所述位置调节机构的中上部，另一端与所述索网结构连接；
所述反射面板层由若干所述反射面单元拼接而成，自然状态下，反射面板层呈抛物面或接近于抛物面的形状。
作为一种进一步的技术方案，所述位置调节机构为直线驱动机构。
作为一种进一步的技术方案，所述直线驱动机构为油缸活塞杆或丝杠套筒。
作为一种进一步的技术方案，所述位置调节机构顶部及底部分别设置有与位置调节机构可拆卸连接的上、下法兰盘；所述上法兰盘的周向设置有若干个与所述固定索连接用的连接孔；所述下法兰盘的周向设置有若干个与所述向面索连接用的连接孔，下法兰盘的底部设置有与所述向地索连接用的连接耳板，所述连接耳板上设置有连接孔。
作为一种进一步的技术方案，所述面形调整点为所述反射面单元的角点。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明的反射面结构中的索系结构为静态结构，不使用索的弹性变形作为功能变形量，因此不涉及巨大的内力，结构整体的可靠性大幅度增加。静态索系结构的设计选择大大增加，成本大幅度降低。本发明采用了位置调节机构调节反射面的位置和形状，对巨型反射面的保型设计要求大大降低。位置调节机构的运动端之间的耦合大幅度降低，负载大幅度降低，重量大幅度降低，可靠性大幅度提高，成本大幅度降低。该位置调节机构的技术难度将远低于前文背景技术中所描述的相应的技术难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的索系基础望远镜反射面结构的局部结构示意图；
图2为本发明实施例提供的位置调节机构与固定索、向面索以及向地索的连接关系结构示意图；
图3为本发明实施例提供的上法兰盘的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的下法兰盘的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的位置调节机构与反射面单元的连接结构示意图；
图标：1-地面基础；2-准刚性结构；3-向面索；4-向地索；5-位置调节机构；6-固定端；7-运动端；8-反射面单元；9-固定索；10-上法兰盘；11-连接孔；12-下法兰盘；13-连接孔；14-连接耳板；15-连接孔。
实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
结合图1至图5所示，本实施例提供一种索系基础望远镜反射面结构，包括：基础框架结构层、索系支撑结构层、位置调节机构层、固定层以及反射面板层；其中，
所述基础框架结构层包括地面基础1和/或建立在地面基础上的准刚性结构2；本发明中的基础框架结构层与现有索系基础望远镜反射面结构中所采用的基础框架结构层保持一致，如中国的FAST，其具体结构在此不再赘述；如果是空间应用，本发明中的基础框架结构层即为空间平台结构。
所述索系支撑结构层由向面索3和向地索4构成，若干所述向面索3交织构成索网结构，向面索3的交汇点形成向面节点；所述向地索4的一端与所述基础框架结构层连接，另一端与所述位置调节机构层中的位置调节机构5的底部或所述索网结构连接；本发明中的索系支撑结构层与FAST工程中的索系结构型式类似，其区别在于，FAST工程中的索系结构为柔性结构，在该柔性结构上布设反射面面板，反射面面板与该柔性结构之间在若干位置进行直接连接；而本发明中的索系结构为静态结构，不使用索的弹性变形作为功能变形量，因此不涉及巨大的内力，结构整体的可靠性大幅度增加。静态索系结构的设计选择大大增加，成本大幅度降低。由于所采用的静态索系其技术难度和成本降低，可以大幅度增加位置调节机构的数量，从而更为精确地调整主动反射面的形状。单块可调反射面单元的分形尺寸进一步减小，这反过来又可以采用更小负载的促动器。经过优化设计，可以在性能和成本之间取得平衡，获得良好的性价比。
所述位置调节机构层包括若干所述位置调节机构5，位置调节机构5的固定端6连接至所述向面节点，位置调节机构5的运动端7连接至所述反射面板层中的反射面单元8的面形调整点上，以驱动所述反射面单元8，进而调整反射面板层的形状及位置；本发明采用了位置调节机构5调节反射面的位置和形状，对巨型反射面的保型设计要求大大降低。位置调节机构5的运动端7之间的耦合大幅度降低，负载大幅度降低，重量大幅度降低，可靠性大幅度提高，成本大幅度降低。该位置调节机构的技术难度将远低于背景技术中所描述的相应的技术难度。当然，如果本发明的技术方案应用于空间环境，该位置调节机构需要相应地按照空间应用的要求进行设计。
所述固定层包括若干固定索9，所述固定索9的一端连接在所述位置调节机构5的中上部，另一端与所述索网结构连接；本发明的固定层用于对位置调节机构的不动部分（如油缸活塞杆或丝杠套筒壳体）进行位置固定，以免其发生转动，这样其运动端就可以形成确定的运动规律，以根据需要调整反射面面板的位置和形状。当然，本申请中的固定层不限于索网结构，其只要满足能够将位置调节机构的不动部分进行位置固定，保持其姿态平衡与稳定在确定的状态即可；比如固定层还可以采用固定支架等形式的刚性连接；优选为固定索，因为使用固定索可以大大降低固定层的重量。
所述反射面板层由若干所述反射面单元拼接而成，自然状态下，反射面板层呈抛物面或接近于抛物面的形状，反射面板层的结构及形状与FAST工程中的反射面板层类似。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述位置调节机构为直线驱动机构；优选地，所述直线驱动机构为油缸活塞杆或丝杠套筒。液压油缸和活塞杆结构的优点是效率高，功耗低，且易于制作为低电磁干扰的结构。运动端与反射面面板之间的连接型式可以为活动关节型式；与FAST工程中的连接型式类似。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述位置调节机构顶部及底部分别设置有与位置调节机构可拆卸连接的上、下法兰盘；上、下法兰盘与位置调节机构壳体的上下端部；所述上法兰盘10的周向设置有若干个与所述固定索连接用的连接孔11；所述下法兰盘12的周向设置有若干个与所述向面索连接用的连接孔13，下法兰盘12的底部设置有与所述向地索连接用的连接耳板14，所述连接耳板14上设置有连接孔15。法兰盘上连接孔可以为三个，四个，五个，六个等，以对应于不同的面板边数。本发明中上、下法兰盘与位置调节机构均采用可拆卸连接结构，实现了位置调节机构的灵活拆卸安装，同时便于位置调节机构的维护与维修。。位置调节机构上设置有导线、光纤、液体或气体管道等连接口，这些导线、光纤、流体管道用于实现位置调节机构的动作控制，位置检测及状态检测等。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述面形调整点为所述反射面单元的角点；面形调整点为所述反射面单元的角点只是优选的实施方案，面形调整点也可以是反射面单元的其他位置。
综上，本发明还具有如下有益技术效果：
1、由于采用了主动变形的轻型反射面结构，可以克服重力和温度等因素带来的影响。
2、反射面面形调节点的位置标定大幅度简化。由于可以在位置调节机构的运动端布设精确的位置传感器，而索系的向面索的节点（位置调节机构的固定端）位置变化范围很小，也可以精确测定，这样就很容易获得反射面面形调节点的位置。目前的索系结构中，由于在促动器运动端与反射面节点之间存在大量不确定的因素，如索网的功能性弹性变形，所以必须通过精确的光学测量措施获取反射面节点的位置；而长距离精确位置测量技术，以及在不同气候条件下的光学位置测量技术，特别是需要响应速度较快的多节点同时测量技术，在现阶段均面临着巨大的困难和成本。
3、经过针对光学及射电的适应性设计，本发明的技术可以广泛适用于大型光学望远镜和大型射电望远镜。不仅适用于地基大型望远镜，尤其适用于空间大型望远镜。由于其整体重量大幅降低，特别适合于空间在轨自动化组装，自动化面形调节优化。采用本发明的技术将使得建立百米级光学望远镜的成本大幅度降低。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种索系基础望远镜反射面结构，其特征在于，包括：基础框架结构层、索系支撑结构层、位置调节机构层、固定层以及反射面板层；其中，
所述基础框架结构层包括地面基础和/或建立在地面基础上的准刚性结构；
所述索系支撑结构层由向面索和向地索构成，若干所述向面索交织构成索网结构，向面索的交汇点形成向面节点；所述向地索的一端与所述基础框架结构层连接，另一端与所述位置调节机构层中的位置调节机构的底部或所述索网结构连接；索系支撑结构层为静态结构，不使用索的弹性变形作为功能变形量；
所述位置调节机构层包括若干所述位置调节机构，位置调节机构的固定端连接至所述向面节点，位置调节机构的运动端连接至所述反射面板层中的反射面单元的面形调整点上，以驱动所述反射面单元，进而调整反射面板层的形状及位置；
所述固定层包括若干固定索，所述固定索的一端连接在所述位置调节机构的中上部，另一端与所述索网结构连接；
所述反射面板层由若干所述反射面单元拼接而成，自然状态下，反射面板层呈抛物面或接近于抛物面的形状。
2.根据权利要求1所述的索系基础望远镜反射面结构，其特征在于，所述位置调节机构为直线驱动机构。
3. 根据权利要求2所述的索系基础望远镜反射面结构，其特征在于，所述直线驱动机构为油缸活塞杆或丝杠套筒。
4.根据权利要求1所述的索系基础望远镜反射面结构，其特征在于，所述位置调节机构顶部及底部分别设置有与位置调节机构可拆卸连接的上、下法兰盘；所述上法兰盘的周向设置有若干个与所述固定索连接用的连接孔；所述下法兰盘的周向设置有若干个与所述向面索连接用的连接孔，下法兰盘的底部设置有与所述向地索连接用的连接耳板，所述连接耳板上设置有连接孔
5.根据权利要求1所述的索系基础望远镜反射面结构，其特征在于，所述面形调整点为所述反射面单元的角点。
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