新一代大射电望远镜机电光一体化设计研究

　　随着天文学的发展,对建造新一代大射电望远镜(LT)提出了越来越迫切的需求。按照天文观测的要求,新一代望远镜的目标如下:工作频率为0.2 GHz～5 GHz,进而扩展到8.8 GHz;总接　　收面积达1.0×106m2;全偏振测量功能;最大可能的天空覆盖及跟踪范围等。为了实现上述目标,需在1.5×108m2范围内建造由30面口径为300m～500 m的球反射面天线组成的天线阵。

　　可以设想,若对造价没有限制的话,利用当今世界上最大的美国Arecibo球面望远镜的纯机械方式或许可以实现上述目标。但遗憾的是,LT委员会对造价也提出了非常苛刻的要求。因此,照搬Arecibo的设计方案,是无法被国际社会所接受的。

　　综上所述,欲在可接受的总造价范围内,实现新一代大射电望远镜的目标,必须摒弃原Arecibo

       1　新一代大射电望远镜机电光一体化设计

　　针对美国Arecibo设计方案的缺点和新一代大射电望远镜的目标要求,在1995年第三届LT年会上,笔者提出了新一代大射电望远镜机电光一体化设计方案(见图1)。在新的设计方案中,原1000 t重的结构代之以20 t～30 t重的线馈源系统。线馈源由6根悬索悬吊起来,每根悬索由6套大功率伺服系统驱动,伺服系统由1台中央计算机控制。为实现馈源对轨迹的跟踪,由激光测量系统来实时检测馈源的位置,并反馈给中央计算机以实现闭环控制。

　　应当说,图1所示的设计方案从根本上解决了Arecibo存在的问题。但是,仍存在2个问题尚未解决。一是线馈源的带宽太窄,二是球差问题。为此,文献[1]提出了主动主反射面的设计方案(见图2)。

　　其基本思想是,球反射面由许多小的多边形面板拼接而成,采用伺服驱动装置实时调整使被照射的球反射面随时拟合成抛物面,从而可将线馈源变为点馈源。于是,笔者在图1所示设计方案的基础上,提出了图3所示的设计方案。这时,由6根悬索悬吊的不再是一线馈源,而是一馈源舱。馈源的最终精度通过2级调整来实现。首先,通过6根大跨度的悬索将馈源舱粗调到厘米级,这为第一级粗调。而后,通过馈源舱内的2次精调,平台将馈源调整到毫米级。

　　根据LT馈源系统运动精度的要求(跟踪精度≤4 mm),由上述的馈源支撑及指向跟踪系统的非线性力学分析可知,仅仅依靠6根大跨度的悬索,很难满足馈源运动轨迹跟踪精度的要求。鉴于此,我们采用Stewart平台来实现馈源轨迹跟踪2级精调,其结构见图4。该平台由上下2个圆形平台和6根可改变长度的变位执行机构(杆)组成,上平台固联于馈源舱上,下平台为可动的,可在一定范围内做6个自由度的运动。9个不同波段的馈源被置于下平台相应的位置上。哪个馈源被用到时,就将哪个馈源及时调整到抛物面的焦点上。