八根索系大型射电望远镜馈源舱运动轨迹规划

　　新一代大型射电望远镜(LT)采用机电光一体化技术,使世界上最大的、反射面口径为305m的美国纯机械式大型射电望远镜Arecibo的造价大幅度降低,精度提高,馈源结构的重量由800t　　降低到20t[1]。该设计因而引起了国际上的广泛关注,被国内外的同行专家称为“变革式创新设计”。目前,LT的设计、分析与模型实验工作获得中国科学院知识创新工程资助,正在紧张而有序地进行[2],一个反射面口径400～500m的LT不久将在中国的贵州建成,届时,它将成为世界上最大的天文望远镜,供世界各国天文学家使用[3]。该LT20t重的馈源舱在6根上百米长的主动悬索拖动下作跟踪天体的运动,反射面由贵州天然的KARST洼地支承;6根主动索的索塔建在洼地周围的6座山峰上,索塔顶端相对反射面底部的高度拟定为250m。

　　文献[4]研究了初始处于平衡状态下的悬索舱体系统的随机风振响应。模拟计算表明,在贵州当地最大风荷的激励下,馈源舱节点的最大位移可达52cm,即考虑环境因素,悬索对馈源舱的位置粗调精度只保证到50cm。为此,馈源舱内增加了Stewart稳定平台,平台对馈源位置精度进行二级调节,经过二级调整,应保证馈源的最大偏移量不超过4mm[5]。

　　1　配有下拉索的悬索舱体系统

　　笔者在文献[1]的设计基础上,在悬索舱体结构中增加结构控制下拉主动索系装置以增强结构抵抗风荷的能力,提高粗调精度。悬索舱体系统需要做跟踪天体的缓慢运动,属慢变结构。控制装置既要抑制馈源舱的风振响应,又不能限制馈源舱的规定运动,故采用如图1所示的下拉主动索系结构控制装置以满足这一要求。结构控制索系与上6根索一样采用主动电机收放索。

　　通过各个伺服电机同步收放索使得馈源舱沿一定的空间轨迹做跟踪天体的运动,由于是缓慢运动,因此可以将馈源舱系统视为在轨迹的每个点上处于平衡状态。轨迹规划就是将空间轨迹离散为许多个点,求出在每一个点上保证馈源舱应有位姿所对应的悬索张力和索长,进而为伺服电机的驱动提供理论数据。因此,对馈源舱系统进行静力分析是轨迹规划的基础。

　　为简化分析,在索系静力分析阶段,将馈源舱先假设为刚体,则馈源舱具有6个自由度。由于馈源舱在规定的位置和姿态下平衡时只有3个直角坐标和2个姿态角确定,另一个姿态角待定,因此,维持舱体平衡的索系张力并不惟一;又因为悬索具有强非线性,仅能够承受拉力,而不能承受压力和弯曲,因此,索系初应力的求解以及解的优化配置成为轨迹规划中的一个复杂问题。

　　悬索舱体系统包含8根主动索和馈源舱。上6根主动索在伺服电机作用下把馈源舱向上拉,下2根主动索则在伺服电机作用下把馈源舱向下拉。上6根主动悬索A1B1～A6B6的上端A1～A6与索塔相连,下端与馈源舱相连;下2根主动悬索A7B7、A8B8的上端与馈源舱相连,下端与电机相连;索塔A1～A6均匀分布在直径为D1的圆周上,下拉电机A7、A8位于X轴正轴和负轴上,距原点的距离均为D/2,其中D是反射面口径;上主动索下端B1～B3汇交于半球形馈源舱顶端,B4～B6均匀分布在馈源舱的底圆上;下主动索上端B7、B8也在馈源舱的底圆上,其中B7位于B5、B6之间,B8与B4重合。端点与馈源舱的连接情况见图2,O2为馈源舱顶点,即B1、B2、B3的重合点。索塔的分布符合当地的地形,而悬索连接点的分布使得整个系统的刚度比较大,有助于提高抗风振性能。