LT50m缩比模型的馈源舱运动规划

　　1　引　言

　　世界上最大的、反射面口径为400 m~500 m的新一代大型射电天文望远镜(LT)选址在中国贵州省。由于反射面的巨大,与传统的大型天线不同,其巨大的反射面由当地独特的天然KAST岩石洼地支撑,馈源则安装在半球型舱体内,由悬索拖动来跟踪射电天体的运动〔1〕〔2〕。此LT的顺利建成和使用将为进一步在我国贵州建造由30个左右LT构成的大型射电望远镜天线阵列奠定基础。国际天文界期待着借助于LT这只“天眼”观测人类未曾企及的遥远星空,探索人类起源的奥秘。

　　目前,LT的预研工作正在全国数个科研院所同时全面展开。西安电子科技大学承担的LT悬索馈源支撑系统的研究工作,并且已经在理论和模型试验方面取得了重要的阶段性成果。因LT的设计方案涉及机、电、光一体化技术〔3〕,为了全面考察LT悬索馈源支撑系统在力学性能分析、机械设计方案、光学测量手段及自动控制方法等方面的研究工作,特在西安市郊区、西安电子科技大学校园附近建立了一个直径为50 m LT的缩比模型。

　　根据天文观测要求对馈源舱的运动进行合理规划,是实现馈源跟踪射电源的基础。由于在工作空间内,馈源舱的每一个确定的位姿都对应一组确定的索长,因此,馈源舱的运动规划可以体现为索长控制。进一步来说,当光学测量检测出馈源舱三个标志点的当前坐标时,根据对舱体位姿的和悬索长度的反算,控制算法可对索长进行实时修正。由此可见,索长的实时计算是馈源舱运动控制的关键。本文介绍索长的计算方法并给出计算实例。

　　2　模型结构简介

　　由于随机风荷的干扰,馈源舱会发生较大幅度的振动〔4〕;又由于悬索舱体运动机构可能会出现力的奇异性〔5〕,即在某些位姿馈源舱会遇到“死点”;因此,在原有六根上拉悬索设计方案的基础上,模型增加了两根下拉悬索,以便同时起到抑制舱体风振和消除力奇异性的双重效果。

　　50 m模型的两套下拉索小伺服电机系统和六套上拉索大伺服电机系统的编号依次为1~8,如图1所示。图1中,两根下拉索定滑轮处标为A1、A2,六根上拉索塔顶端定滑轮处标为A3~A8。α、γ和θ分别是描述馈源舱实现观测运动时的方位角、俯仰角和自转角。

　　反射面的口径为D,反射面曲率半径为R,曲率中心为O′,球冠张角为Φ。天文观测要求,馈源舱在悬索的拖动下沿曲率中心在O′,半径为0.533R的球冠表面运动。动坐标系O1X1Y1Z1的原点O1随馈源舱移动,Z1轴始终穿过O′点,Y1轴始终穿过Z轴,因而X1轴始终水平。Z1轴与Z轴的夹角γ不超过半圆锥角Φ/2。索塔均匀地分布在圆周上。

　　图2给出了具体的结构尺寸。虚拟反射面假设嵌入地面以下,取大地坐标系原点与反射面的顶点重合,反射面开口与模型现场地面平齐,因而现场地面在大地坐标系中具有高度6.37 m。这种假设的目的使是悬索塔的计算塔高比实建塔高高出6.37m,因而节省了索塔造价。