Регулирование адаптивной поверхности главного зеркала радиотелескопа
Введение
Дипломная работа связана с решением задачи регулирования
адаптивной поверхности главного зеркала радиотелескопа, предназначенного для
работы в миллиметровом диапазоне радиоволн.
Отклонение поверхности зеркала не должно превышать 0,02 мм.
При наклонах зеркало деформируется, что приводит к отклонению его отражающей
поверхности. Требуется регулировка поверхности. Она выполняется в виде
отражающих щитов, которые являются частями теоретической поверхности.
Регулировка щитов осуществляется в четырех точках, расположенных в углах щитов,
посредством толкателей (актуаторов).
В дипломной работе анализируются результаты моделирования
полномасштабной конечно-элементн6ой модели в системе ANSYS. Результаты
моделирования используются для расчета аппроксимирующего параболоида по полю
заданных точек.
Излагается методика расчета невязок фактического положения
щитов (фасет) отражающей поверхности относительно аппроксимирующего
параболоида. Регулирование положения фасет осуществляется посредством линейных
приводов. Характерной особенностью приводов является то, что они работают в
режиме изменения величин деформаций. Такой режим связан с изменением упругой
силы, то есть переменной нагрузки на электродвигатель. Требуется синтезировать
систему управления таким электроприводом.
Расчет производился в соответствии со следующими исходными
данными:_p=0,01 м - перемещение _p=0,1 с - время перемещения_fo_max=10^-5 м -
максимальная ошибка слежения_id=45 об/мин - число оборотов ИД _id_max=0,102 кгм
- крутящий момент_id = 4,5 Вт - мощность ИД _id=22 В - напряжение ИД_id=0,137 А
- пусковой ток _id_j=0,01 с - постоянная времени якорной цепи ИД_r=0,1 с -
время разгона_pz=5 кг - масса_m=10 Гц - резонансная частота_m=0,05 -
коэффициент диссипативных потерь
Развитие современной радиоастрономии и дальней космической
связи возможно лишь на основе создания крупногабаритных прецизионных и
полностью автоматизированных антенных комплексов, способных работать в широком
диапазоне частот с практически полным обзором небесной сферы. Этим требованиям в
наибольшей степени отвечают полноповоротные зеркальные антенны, обеспечивающие
получение больших коэффициентов усиления и высокой разрешающей способности, что
позволяет применять их в радиосвязи, радиоастрономии, радиолокации и в технике
дельней космической связи.
Современное развитие антенных систем радиотелескопов связано
с повышением чувствительности и разрешающей способности за счет увеличения
диаметров зеркал (~ 100 м) и уменьшения рабочей длины волн (~ 1-10 мм). В связи
с этим повышаются требования, предъявляемые к точности создания отражающей
поверхности антенны и сохранение ее в процессе эксплуатации при воздействии на
нее изменяющихся в зависимости от времени и положения антенны гравитационных,
ветровых и тепловых полей. Чтобы удовлетворить упомянутым требованиям,
оптическая система антенны при сохранении требуемых радиотехнических
характеристик должна обладать многовариантностью реализации форм и
расположения, которые можно использовать для удовлетворения
конструктивно-технологических и эксплуатационных требований. Для этого
математический аппарат, описывающий поведение антенны, должен обладать не
только способностью реализовывать, требуемые радиотехнические характеристики,
но и большой гибкостью в части выбора геометрических форм и положения в пространстве
отражающих поверхностей. Создание такого математического аппарата является
актуальной задачей. Исключительно высокие требования, предъявляемые к точности
отражающей поверхности больших радиотелескопов, обуславливают необходимость
получения информации о механическом поведении конструкции под действием
различных внешних воздействий на всех стадиях проектирования и эксплуатации
радиотелескопа.
Необходимость и способы компенсации влияния деформаций от
воздействия сил собственного веса металлоконструкции на поверхность
полноповоротных зеркальных радиотелескопов отражен в работах российских и
иностранных ученых и конструкторов: М.Ю. Архипова, Л.Д. Бахраха, И.С.
Виноградова, Д.И. Воскресенского, М.А. Гурбанязова, П.Д. Калачева, А.Н.
Козлова, А.Г. Соколова, В.В. Кузнецова, В.С. Поляка, В.Б. Тарасова, В.И.
Усюкина, У. Христиансена, И. Хёгбома, С. Хорнера.
Большие зеркальные антенны, работающие под открытым небом,
подвергаются воздействию различных климатических факторов и в том числе -
солнечной радиации. Моделирование и исследования в данном классе задач -
Деформация отражающей поверхности главного зеркала, были проведены профессором,
кандидатом технических наук А.И. Боровковым и представлены в работе
«Конечно-элементное моделирование и исследование проблем механики
радиотелескопа РТ-70». Цель данной работы состояла в следующем:
. Разработка и построение иерархических последовательностей
математических и 3-D КЭ моделей, с высокой степенью адекватности описывающих
поведение радиотелескопа РТ-70 под действием температурных и гравитационных
воздействий; выполнение многовариантных КЭ исследований с целью изучения 3-D
деформированного состояния радиотелескопа;
. На основе вычисленных деформированных состояний
радиотелескопа РТ-70 в зависимости от различных геометрических и климатических
параметров:
.1. Построить семейство параболоидов, аппроксимирующих с
высокой степенью точности реальное 3-D деформированное состояние основного
рефлектора;
.2. Определить векторы смещения узлов крепления домкратов к
фацетам в соответствующие точки поверхности аппроксимирующего параболоида,
определённой на основе вычисленных 3-D деформированных состояний основного
зеркала радиотелескопа в зависимости от различных геометрических и
климатических параметров;
.3. Определить вектор смещения контррефлектора, находящегося
на деформируемых опорах, в фокус аппроксимирующего параболоида.
Для достижения поставленных целей необходимо решить задачи:
. Разработка и построение полномасштабной 3-D CAD-модели
радиотелескопа РТ-70;
. Разработка и построение иерархических последовательностей
3-D КЭ моделей (“гравитационных” и “тепловых”) и выполнение КЭ исследований для
“настройки” математических моделей и определения 3-D деформированного
состояния, возникающего в радиотелескопе РТ-70 под действием температурных и
гравитационных воздействий;
. Многовариантные КЭ исследования и вычисления глобальных
матриц температур и глобальных матриц перемещений для различных геометрических
и климатических параметров;
. Построение семейства аппроксимирующих параболоидов с
помощью метода наименьших квадратов путем минимизации суммы квадратов
отклонений между расчетными положениями узлов КЭ модели и их положением на
аппроксимирующем параболоиде;
. Определить вектор смещения узлов крепления домкратов к
фацетам в соответствующие точки поверхности аппроксимирующего параболоиде;
. Определить вектор смещения контррефлектора в фокус
построенного аппроксимирующего параболоида.
В работе использовались методы теории теплопроводности и
упругости. Все расчётные исследования выполнены с помощью
метода конечных элементов и программной системы конечно-элементного анализа
ANSYS.
Полноповоротные зеркальные антенны способны работать в
широком диапазоне частот с практически полным обзором небесной сферы и
обеспечивают получение больших коэффициентов усиления и высокой разрешающей
способности, что позволяет применять их в радиосвязи, радиоастрономии,
радиолокации и в технике дальней космической связи.
Основным элементом антенн этого типа является зеркало,
которое собирает падающее на него излучение в фокальной точке (параболическое
зеркало) либо на фокальной линии (параболический цилиндр, сферическое зеркало).
В фокусе устанавливается облучатель в виде рупора либо цепочки диполей.
Диаграмма направленности облучателя формируется так, чтобы облучить все зеркало
(собрать с него всю энергию), но исключить облучение пространства вне его. Этим
достигаются максимальное использование поверхности зеркала и минимальный
уровень шумов. Для исключения искажения фронта отраженной волны неровности
поверхности зеркала не должны превышать λ/20. Форма поверхности зеркала
должна сохраняться в этих пределах при разных температурax, ветровых нагрузках
и положении антенны. Эти требования ограничивают размеры зеркал, минимальную
длину волны и определяют их стоимость, поэтому первые крупные антенны
зеркального типа были неподвижными или полуподвижными. Оптимизация параметров
радиотелескопов привела к ряду конструктивных решений - созданию зеркальных
антенн разных типов и классов. Наибольшее распространение получили параболические
зеркала.
В общем случае полноповоротная зеркальная антенна состоит:
. зеркальная система, формирующая определенным образом
радиолуч, (радиосигнал);
. опорно-поворотное устройство, обеспечивающее заданную
пространственно-временную ориентацию радиолуча;
В свою очередь зеркальная система состоит из:
. зеркало;
. каркас;
. контррефлектор;
. опора контррефлектора;
. облучатель;
. подвеска облучателя.
Классификация антенных устройств может быть осуществлена по
следующим признакам:
. Классификация по назначению. Антенные установки могут быть
предназначены для радиолокации, радиоастрономических целей, связи и работы с
искусственными спутниками и космическими станциями определенного класса орбит и
траекторий.
. Классификация по количеству элементов. Здесь можно выделить
одиночные, как правило, большие радиотелескопы и многоэлементные антенны с
синтезированной апертурой, состоящие из нескольких антенн, сигналы от которых
поступают в центральный пульт, который управляет синхронным перемещением
антенн.
. Классификация по диапазону рабочих длин волн. Она
определяет требования к точности геометрии отражающих поверхностей. Точность
должна обеспечиваться на всех этапах разработки, изготовления, строительства,
монтажа, юстировки и эксплуатации антенны.
. Классификация по форме поверхности и принципу оптического
построения системы отражающих поверхностей, то есть по геометрии. Это
однозеркальные и многозеркальные антенны с параболическими, сферическими и
плоскими зеркалами.
. Классификация по форме диаграммы направленности. Это
карандашный луч, ножевая (отражатель выполнен в виде параболического цилиндра),
многолучевая, сканирующая и другие диаграммы направленности зеркальной системы.
. Классификация по типу наведения на объект. Здесь можно
выделить управляемые антенны - полноповоротные по азимуту и углу наклона или с
другим типом осей вращения антенны, имеющие определенную скорость перемещения и
возможность обзора всей верхней полусферы. Другой тип - это антенны с
ограниченным рабочим сектором, меридианные инструменты, пассивные стационарные
неповоротные системы.
. Классификация по характеру размещения или базирования
антенных установок или базирования антенных установок. Антенные системы могут
быть стационарные, неперемещаемые. Как правило, это большие радиотелескопы. Они
строятся и размещаются в различных районах земли. Другой тип антенных установок
- передвижные, смонтированные на перемещаемых платформах транспортируемых по
суше на специальных автосредствах или по воде на кораблях. Наконец, это
антенны, размещенные на летательных аппаратах и на космических объектах. При
этом антенны могут быть защищены радиопрозрачными колпаками-укрытиями или могут
быть открытыми при эксплуатации для всех внешних воздействий.
1.
Система измерения координат реперных точек фасет отражающей поверхности
главного зеркала в системе координат опорного кольца
Для контроля пространственного положения элементов
конструкции и оптических элементов РТ-70 необходима реализация требуемого
количества приборных измерительные систем, которые «привязывались» бы к
некоторой единой измерительной системе и далее, если это необходимо, к
абсолютной системе координат.
Исходя из особенностей опорно-поворотного устройства (ОПУ) и
пространственной металлоконструкции (ПМК) зеркальной системы РТ-70, состоящих в
том, что основание, на котором крепится зеркальная система, представляет собой
достаточно жесткий узел, который и предложено принимать в качестве
промежуточной базы, обосновывается выбор и принципы построения измерительной
системы его состояния.
1.1 Параметры конструкции РТ-70
В состав РТ-70 входят: опорно-поворотное устройство (ОПУ),
основное зеркало (ОЗ), ферменный каркас, обшивка рабочая, опорное кольцо (ОК),
контррефлектор (КР) подвижный, стойки крепления КР с аппаратной кабиной,
аппаратная кабина вторичного фокуса ОЗ, зеркало перископическое (ЗП),
электросиловые приводы (ЭСП) наведения основного зеркала, контррефлектор, ПЗ и
актуаторов щитов отражающей поверхности ОЗ.
Диаметр основного зеркала - 70 м.
Фокусное расстояние основного зеркала - 21 м.
Диаметр контррефлектора - 3 м.
Межфокусное расстояние контррефлектора - 24,2 м.
Максимальная скорость наведения по азимуту - (30 ± 3) "/с и по углу
места - (15 ± 3) "/с.
Внешние воздействия на РТ-70:
Диапазон температур - от - 40 0С до + 40 0С.
Влажность - до 98% при температуре +20 0С.
Дождь, снег, гололед, пыль.
Сейсмичность - до 8 баллов.
Диапазоны регулируемых перемещений элементов
конструкции:
Перемещения основного зеркала:
угол поворота по азимуту ± 2700;
поворот по углу места 0 - 97030'.
Перемещения контррефлектора:
вдоль оси Z (фокальной оси ОЗ) - ±30мм;
вдоль оси Y (горизонтальной оси, параллельной угломестной оси
ОЗ) - ±10
мм;
вдоль оси Х (перпендикулярной плоскости YZ) - «вверх» 140мм,
«вниз» 60мм;
поворот относительно оси Х на угол ± 3';
поворот относительно оси Y на угол ± 30'.
Перемещения опорного кольца:
вокруг оси Х ± 1';
вокруг оси Y ± 1".
1.2 Общие принципы построения измерительной
системы
Основу единой измерительной системы, к которой выполняется
привязка других измерительных систем, составляют:
– трехосная гиростабилизированная платформа (ГСП) для
измерения углового положения ОПУ относительно азимутальной и угломестной осей в
наземной системе координат; в ГСП предполагается использование уникальных
прецизионных электростатических гироскопов разработки ЦНИИ
"Электроприбор" (Санкт-Петербург), обеспечивающих в течение 3-х часов
измерение углов в диапазоне 3600 с точностью 1";
Для обеспечения требуемых метрологических свойств
радиотелескопа (РТ) необходима реализация дополнительных измерительных систем
трех уровней.
Первый уровень - измерительные системы привязки положения
базовых (с точки зрения построения измерительной системы) элементов конструкции
ОПУ, а именно, опорного кольца и цапф - к гиростабилизированной платформе
единой измерительной системы (рисунок 1.1):
Рисунок 1.1. На рисунке Ф - фасета, УМО - угломестная ось, АО -
азимутальная ось
–
оптико-электронная автоколлимационная система измерения угловой деформации
стоек цапф (Ц) качающейся части радиотелескопа относительно корпуса
гиростабилизированной платформы;
– оптико-электронная автоколлимационная система
измерения углового положения специального элемента конструкции основного
зеркала - опорного кольца (ОК), жестко связанного с трубой основного зеркала -
относительно корпуса гиростабилизированной платформы.
Второй уровень - измерительная система привязки положения
базовых элементов конструкции ОПУ, а именно, цапф, к абсолютной (наземной)
системе координат:
– оптико-электронная система измерения положения
угломестной оси зеркальной системы телескопа (как линии, проходящей через
центры цапф качающейся части радиотелескопа) по азимуту относительно абсолютной
системы координат (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2. Оптико-электронная система измерения
В результате действия первой измерительной системы первого уровня
и измерительной системы второго уровня будет выполнена привязка гиростабилизированной
платформы единой измерительной системы к абсолютной системы координат по
азимуту.
Третий уровень - измерительные системы привязки элементов
зеркальной системы радиотелескопа к опорному кольцу (рисунок 1.3):
– оптико-электронная система измерения положения
щитов (фасет) отражающей поверхности (ЩОП) основного зеркала относительно
опорного кольца;
– оптико-электронная система измерения положения
контррефлектора относительно опорного кольца;
– оптико-электронная система измерения положения
перископического зеркала относительно опорного кольца.
Рисунок 1.3. Измерительные системы привязки элементов зеркальной
системы радиотелескопа к опорному кольцу
В результате действия второй измерительной системы первого уровня
и измерительных систем третьего уровня будет выполнена привязка всей зеркальной
системы радиотелескопа к гиростабилизированной платформы единой измерительной
системы.
Итак, предлагается следующая структура измерительной цепи.
1.
«Привязка»
основного зеркала к опорному кольцу.
Первая измерительная система третьего уровня измеряет
положение щитов отражающей поверхности (фасет) основного зеркала (ОЗ)
относительно опорного кольца (ОК), что позволяет определить положение вершины
параболы основного зеркала и направление ее оси относительно ОК. Вторая и
третья измерительные системы третьего уровня измеряют положение контррефлектора
(КР) и перископического зеркала (ПЗ) относительно опорного кольца.
В результате определяется положение оси всей зеркальной
системы радиотелескопа относительно оси опорного кольца.
2.
Привязка
опорного кольца (ОК) к гиростабилизированной платформе (ГСП).
Первая измерительная система первого уровня измеряет угловое
положение оси ОК относительно корпуса гиростабилизированной платформы.
В результате определяется положение оси радиотелескопа по
углу места.
3.
Привязка
гиростабилизированной платформы по азимуту к абсолютной (наземной) системе
координат.
Вторая измерительная система первого уровня определяет
угловое положение цапф (Ц) угломестной оси относительно корпуса
гиростабилизированной платформы.
Измерительная система второго уровня определяет положение Ц
угломестной оси относительно абсолютной (наземной) системы координат.
В результате определяется положение оси радиотелескопа по
азимуту.
Таким образом, в результате действия измерительных систем
определены параметры зеркальной системы радиотелескопа и определено положение
его оси, как по углу места, так и по азимуту.
1.3 Выбор методов и средств измерения
Рассматриваемая метрологическая задача сводится к измерению
пространственного положения контролируемого объекта относительно некоторой
базы. При рабочем расстоянии порядка нескольких метров и более эффективны
оптико-электронные измерительные средства на основе явлений волновой и
геометрической оптики.
Оптико-электронные системы, использующие явления волновой
оптики обладают высокой пороговой чувствительностью - до тысячных долей угловой
секунды, однако погрешности измерения вследствие влияния дестабилизирующих
факторов (температурные и весовые деформации, флюктуации воздушного тракта)
могут достигать единиц и десятков процентов от диапазона измерения, что не
позволяет их использовать в рассматриваемой системе.
Для построения измерительных систем второго уровня,
выполняющих измерение взаимного углового рассогласования элемента конструкции и
корпуса ГСП предлагается использовать автоколлимационный метод измерения как
обладающий наибольшей чувствительностью.
В соответствии с методом, на одном из объектов (корпусе ГСП)
располагается пассивный контрольный элемент (КЭ) - автоколлимационное зеркало
(рисунок 1.4). На втором объекте - (опорном кольце или цапфе) располагается
приемно-излучающий блок - автоколлиматор (АК).
При наличии углового рассогласования между объектами
происходит отклонение пучка, отраженного от контрольного элемента. Величина
угла отклонения пучка, являющаяся мерой углового рассогласования, определяется
анализатором приемной системы АК.
Рисунок 1.4
Для построения измерительных систем третьего уровня,
предназначенных для измерения пространственного положения контролируемого
объекта, эффективны два метода - так называемой "линейной засечки" и
"угловой засечки".
По методу "линейной засечки" (рисунок 1.5) с трех
базовых реперов измеряются расстояния до контролируемой точки.
По известным базовым расстояниям B1,B2,B3 между реперами и
измеренным расстояниям L1,L2L3 до контролируемой точки определяются координаты
X,Y,Z контролируемой точки.
Рисунок 1.5. Метод "линейной засечки"
В основе приборной оптико-электронной реализации метода лежит
лазерный дальномер.
По методу "угловой засечки" с двух реперных точек
измеряются углы визирования (угол между оптической осью объектива и
направлением на точку) контролируемой точки в вертикальной и горизонтальной
плоскостях (рисунок 1.6).
Рисунок 1.6. XYZ0 - оси приборная система координат
По измеренным углам визирования
и известной величине базового расстояния B между реперными точками
определяются координаты XYZ контролируемой точки в приборной системе координат
X0Y0Z0.
В основе приборной реализации метода лежит оптико-электронный
теодолит.
При построении рассматриваемой системы предполагается
использовать метод "угловой засечки". Проведенный анализ показал, что
при одинаковой погрешности измерения требуемая величина баз B1, B2, B3 при
реализации метода "линейной засечки" в среднем в 2…3 раза больше (и
соизмерима с расстояниями L до контролируемой точки), чем требуемая величина
базы B в методе угловой засечки.
1.4 Структура, принцип работы и выбор основных
параметров измерительной системы
Систему измерения азимута зеркальной системы относительно
базовой предлагается строить на предположении, что ось прокачки зеркальной
системы по углу места жестко привязана к зеркальной системе. Для этого случая
предложено на неподвижных частях подшипников оси угла места разместить два
оптико-электронных измерительных преобразователя (ТВИС) (рисунок 1.7), каждый
из которых определит свое угловое положение относительно реперных источников -
светодиодов (СД), размещенных на поверхности основания телескопа на
фиксированном радиусе относительно вертикальной оси вращения.
Рисунок 1.7.