一种单向索驱动俯仰运动式大型射电望远镜

摘要

本发明公开了一种单向索驱动俯仰运动式大型射电望远镜，属于天线技术领域。该射电望远镜包括反射体、承载反射体的座架，以及索驱动装置等主要部分，还包括稳索机构，精度控制机构，俯仰限位装置等附属结构。相对于传统结构，该射电望远镜通过单向索驱动的方式实现了反射体大范围的俯仰运动，从而有效降低了整体结构的高度和重量。本发明具有结构紧凑、可靠性高、成本较低、便于维护等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及到天线技术领域，特别涉及一种单向索驱动俯仰运动式大型射电望远镜。

背景技术

随着社会的不断进步和科技能力的长足发展，人类已不满足于已有的探索，而把目光投向了更加遥远广袤的太空。以观测未知天体，研究宇宙起源，探寻地外生命等为重要研究目的的射电天文学愈发显得重要，获得了科学家们更大的重视。现在射电天文学已步入了高灵敏度、大样本时代，这就需要更灵敏更强大的精密天文观测设备以探测更暗弱的天体。这种精密的射电天文观测设备就是射电望远镜。

从二战时期开始，世界各主要发达国家陆续建设了一些大型的射电望远镜。比如英国76米的洛弗尔天线，德国波恩100米口径的艾菲尔斯伯格天线，美国西弗吉尼亚州100×110米椭圆口径的绿地天线，美国阿雷西博305米固定式射电望远镜等。而近年来，随着我们自身科技及经济实力的长足发展，我国也逐渐加大了对天文研究的投入，陆续建设了一些世界一流的大型射电望远镜。这主要包括北京建成的50米天线，上海建成的65米天马望远镜，佳木斯建成的66米深空探测天线，贵州建成的500米口径球面射电望远镜，天津建设中的70口径天线，云南刚启动建设的120米天线，等等。

以上所列大型射电望远镜当中，我国于2016年在贵州省平塘县克度镇大窝凼洼地建成的全球最大的500米口径球面射电望远镜(FAST)，在近几年取得了举世瞩目的影响和观测成果。FAST望远镜和原世界最大的美国阿雷西博305米射电望远镜都属于没有可动座架的形式。FAST望远镜在观测时通过反射面的主动变形聚焦，可以形成口径达300米的瞬时抛物面形状的有效反射面。阿雷西博采取了固定反射面移动馈源的方式，其观测天区范围比较狭窄，精度也低；而FAST的优点不言而喻，其无可匹敌的巨大口径由于采取了主动变形匹配对焦的技术，使其成为了世界上最灵敏的射电望远镜，并已产生了大量的观测成果。美中不足的是，虽然FAST可变形表面在一定程度上具有指向性，但由于结构的限制，指向顶点被限制在大于40°的天顶范围，这就造成了FAST的观测盲区还是很大的。另外，FAST望远镜也得益于当地独特的地形地貌，故而其建设经验也不能被广泛的推广。所以，FAST及阿雷西博这种无座架形式的望远镜结构具有很大的局限性和特殊性。

纵观现今世界范围内的各大射电望远镜，通过对比分析可以发现，全可动形式的射电望远镜天线依然是射电天文观测领域的研究主流及主要观测力量。全可动射电望远镜天线，顾名思义是反射体可以全向转动，这主要是通过望远镜天线的座架来实现的。座架是望远镜反射体的支撑和定向装置，在伺服系统控制下，引导反射体准确的捕获和跟踪目标，其机械性能直接影响望远镜的灵敏度和观测。传统的座架一般为方位-俯仰(A-E)型结构，A轴为铅垂状态，E轴位于A轴上方，呈水平状态。通过两轴的配合转动，扫描范围大大增加，天线波束可以指向整个空域。

通过纵观对比以上各全可动射电望远镜天线，可以发现，无一例外的，其俯仰运动都是通过在运动部位的反射体的下方中间位置设置巨大的扇形齿轮来实现的。我们把这种俯仰运动的驱动形式称为“扇齿驱动俯仰运动”。

扇齿驱动俯仰运动的形式虽然传统有效，广泛沿用在世界很多大型超大型射电望远镜天线中，然而随着望远镜天线口径的越来越大，可以很明显分析得出，扇齿驱动俯仰运动的形式也有一些明显的缺点和不足：

1、扇齿驱动俯仰运动形式会提高结构总体高度。

扇齿的中心回转轴线和望远镜天线反射体的俯仰运动中心轴线重合，而大口径的反射体势必需要相对应的大直径的扇齿轮，大直径扇齿轮固定在反射体的下方，必然会大大增加了反射体整体的高度，而反射体高度的增加也必然会导致座架高度的增加。

2、扇齿驱动俯仰运动形式会增大结构中运动部分的重量。

大直径的扇齿轮由于保型的需要势必需要一个巨大的高强度高刚度的支架结构。这使得在大口径的望远镜天线中扇齿轮部件的整体重量会很大，而这部分重量都会增加到望远镜中作为运动部分的反射体重量当中。

3、扇齿驱动俯仰运动形式可靠性低。

通过上述1和2可知，具有巨大体积和重量的反射体只是通过扇齿轮的力量来实现运动，在这种情况下，不可避免的会存在如下风险：

反射体部分主要被三点支撑，三点分别为俯仰轴端的两点和扇齿轮驱动的一点。三点的分布在一个垂直面内。可想而知，有着巨大体积和重量的可运动部分主要由这样一个垂直平面内三点在支撑受力，从安全性来说并不是理想状态。

运动中的反射体会产生很大的转动惯量，以及很大的振动冲击。由于扇齿轮的驱动是一种刚性形式，所以这些不良运动的能量只能传递到齿轮的啮合面，反射体的俯仰轴，以及结构内部吸收消化，会给内部结构带来风险。另外，由于扇齿轮长期承受着很大的力量，尤其在啮合齿面上会产生很大的交变压应力，长此以往，扇齿轮很容易出现磨损、崩齿、失效等故障风险。

4、扇齿驱动俯仰运动形式实现成本高，设计制造安装难度大。

扇齿轮传动是一种精密传动形式，要求主动驱动齿轮和扇齿轮之间有着很准确很稳定的相对位置关系。尺寸巨大重量巨大的扇齿轮本身就存在很大的设计制造难度，而齿轮配合安装，齿隙的调整等更具有难度。而这些设计制造安装势必会引起成本的大量增加。

5、传统结构形式不利于俯仰运动部件的维修保养和更换。

众所周知，长期运动部件是一定会面临维修保养和更换的情况的。但是由于传统结构尺寸庞大，运动部分的扇齿轮及电机减速机等相关机构都在数十米的高空，空间遮挡严重，操作不便；扇齿轮及支撑机构体积和重量巨大，固定连接在反射体的下方，作为运动部分的反射体的一部分。而扇齿轮机构的拆卸和受力的变化会明显改变原结构的结构和受力平衡；扇齿驱动机构本身也是运动的制动机构，扇齿机构停用的时候很难有其他手段平衡和运动反射体。这就使得扇齿轮的维修和更换操作十分困难。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种单向索驱动俯仰运动式大型射电望远镜。其具有结构紧凑、可靠性高、成本较低、便于维护等特点。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种单向索驱动俯仰运动式大型射电望远镜，包括反射体以及承载反射体的座架；所述座架上设有俯仰轴，俯仰轴通过轴座连接在座架上并与地面平行；还包括索以及用来拉动索的索动力装置；所述索动力装置位于天线座架底部的一侧，所述索的一端连接反射体，另一端连接在索动力装置上；所述反射体的重心偏离座架的中心，并位于索的对侧。

进一步的，还包括方位转动结构。

进一步的，所述方位转动结构包括地基，在地基上设有环形钢轨；所述座架底部设有在环形钢轨上运动的滚轮，所述滚轮带动座架在环形钢轨做圆周运动。

进一步的，还包括用以稳定索的稳索结构，所述稳索结构包括稳绳、滑轮和拉力传感器；所述稳绳一端通过滑轮与索连接，另一端穿过拉力传感器并固定在座架上。

进一步的，还包括俯仰精度控制结构，所述俯仰精度控制结构包括啮合齿轮和小扇齿轮，所述小扇齿轮安装于反射体底部且与俯仰轴同轴，啮合齿轮安装在座架上，两者相互啮合；所述座架上还设有用于驱动啮合齿轮转动的阻尼电机。

进一步的，在座架上还设有用于限制反射体极限位置的俯仰限位结构，其包括主体钢架、缓冲单元，所述主体钢架固定在座架上，主体钢架的另一端固定所述缓冲单元。

进一步的，同一截面内的每根索的约束点通过弹性部件连接。

进一步的，以竖直向上为基准姿态，反射体在有索一侧的旋转角的范围小于无索的一侧。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1.本发明通过单向索驱动的方式实现了望远镜天线的俯仰运动，消除了传统的大型扇齿轮机构，有效减少了望远镜天线中可运动反射体部分的重量，降低了总体高度。

2.本发明对于可运动的反射体部分来说，形成了大尺度上的空间支撑受力，使得运动更加稳定可靠。

3.本发明摒弃了传统的配重的方式，巧妙的通过单向索的拉力和偏心设置的反射体结构重心相平衡，也可大大减轻天线可运动反射体部分的重量。

附图说明

图1是本发明实施例的正面示意图。

图2是图1的侧面示意图。

图3是本发明稳索结构示意图。

图4是本发明索动力装置结构示意图。

图5是本发明俯仰精度控制结构示意图。

图6是本发明俯仰限位结构示意图。

图中：1、座架，1.1、滚轮，1.2、轴座，2、反射体，3、索，3.1索动力装置，3.2、索受力结构，3.1.1、电机减速器的组合，3.1.2、卷扬筒，3.1.4、拉力传感器、3.1.5、终端，4、地基，4.1、环形钢轨，5、稳索结构，5.1、滑轮，5.2、拉力传感器，5.3、终端,5.4、弹性部件，6、俯仰精度控制结构，6.1、啮合齿轮，6.2、小扇齿轮，6.3、环状码盘，7、俯仰限位结构，7.1、主体钢架，7.2、缓冲平台，7.3、缓冲单元，7.4、锁定机构。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

一种单向索驱动俯仰运动式大型射电望远镜，包括反射体以及承载反射体的座架；所述座架上设有俯仰轴，俯仰轴通过轴座连接在座架上并与地面平行；还包括索以及用来拉动索的索动力装置；所述索动力装置位于天线座架底部的一侧，所述索的一端连接反射体，另一端连接在索动力装置上；所述反射体的重心偏离座架的中心，并位于索的对侧。

进一步的，还包括方位转动结构。

进一步的，所述方位转动结构包括地基，在地基上设有环形钢轨；所述座架底部设有在环形钢轨上运动的滚轮，所述滚轮带动座架在环形钢轨做圆周运动。

进一步的，还包括用以稳定索的稳索结构，所述稳索结构包括稳绳、滑轮和拉力传感器；所述稳绳一端通过滑轮与索连接，另一端穿过拉力传感器并固定在座架上。

进一步的，还包括俯仰精度控制结构，所述俯仰精度控制结构包括啮合齿轮和小扇齿轮，所述小扇齿轮安装于反射体底部且与俯仰轴同轴，啮合齿轮安装在座架上，两者相互啮合；所述座架上还设有用于驱动啮合齿轮转动的阻尼电机。

进一步的，在座架上还设有用于限制反射体极限位置的俯仰限位结构，其包括主体钢架、缓冲单元，所述主体钢架固定在座架上，主体钢架的另一端固定所述缓冲单元。

进一步的，同一截面内的每根索的约束点通过弹性部件连接。

进一步的，以竖直向上为基准姿态，反射体在有索一侧的旋转角的范围小于无索的一侧。

下面为一更具体的实施例：

如图1～6所示，本实施例主要包括座架1，反射体2，索3以及索驱动装置。

所述座架是大型空间钢骨架结构。在其底部设置有一组滚轮1.1机构，可以实现自身的方位转动功能；在其上部设置有两个俯仰轴座1.2，用于支撑反射体，并相配合实现反射体相对于俯仰轴(可视为两个俯仰轴座连线)的俯仰转动。

所述反射体包括反射面以及支撑反射面的空间网架。反射体安装在座架上且具有转动的自由度。其下部设置有俯仰轴机构。其与座架的俯仰轴座配合连接，使反射体相对于座架沿俯仰轴具有转动的自由度。

上述的反射体设置成偏心形式，即俯仰轴机构并不是居中设置，两个俯仰轴机构的连线和反射体反射面光轴(中心线)是两条空间直线，相互垂直，且有一定距离δ。这使得反射体相对于俯仰轴机构来说，两侧不是对称的，是一个偏心结构。

上述反射体通过俯仰轴机构安装到座架上以后，座架上的两个俯仰轴座之间的连线(俯仰轴)与大地平行；反射体的光轴和俯仰轴垂直但不相交，俯仰轴与方位轴同样垂直。这个情况下，反射体的偏心结构使得其在重力作用下自然会倒向偏心的一侧，稳定于位于该侧的极限位置。反射体相对于座架沿俯仰轴具有两侧不对称程度的旋转范围。

所述索驱动装置主要包括索动力装置3.1，以及索受力结构3.2。索驱动装置，实现了反射体绕俯仰轴旋转的俯仰运动目的。索动力装置在座架底部的一侧。索动力装置采用了电机伺服的卷扬机结构，主要包括电机减速机组合3.1.1和卷扬筒3.1.2，缠绕在卷扬筒上的索，拉力传感器3.1.4及终端3.1.5等。电机减速机组合驱动卷扬筒正反方向转动，从而带动卷扬筒上缠绕的索伸长或缩短。拉力传感器用于监控索的拉力是否均匀且在合理范围内。对应于座架上的索动力装置，索受力结构设置于反射体下部。索动力装置和索受力结构两者之间通过索连接。

所述的索设置一根至多根。多根索对应着不止一个的索驱动装置。多根索中设有安全索，在望远镜正常使用中并不主要提供拉力，而在其他索断裂等特殊情况下发挥作用，保证反射体在极端情况下也可以安全回落到稳定姿态。

上述的，反射体、座架和索驱动装置之间形成一个大尺度上的三角形封闭受力结构，具有很高的安全性，在静止和运动姿态中保持足够的刚度和精度。

进一步的，还包括地基4，在地基上设有环形钢轨4.1，与所述座架底部的滚轮1.1机构对应，实现座架在环形钢轨上的回转运动。

进一步的，还包括稳索结构5。稳索结构安装在座架上，利用伸出端的滑轮5.1组件与索连接，索和伸出端通过滑轮接触，并不固定位置。稳索机构对于伸出端设置有拉力和伸出长度的拉力传感器5.2和终端5.3，以实时调整每根索张力的均匀性。对于多索情况，还具有弹性部件5.4。其结构类似于在高空高压电线之间的约束，用于限定一个截面附近多根索之间的位置和距离。由于俯仰运动过程中，多索之间的相对角度和距离会发生变化，采用弹簧等弹性部件对于不同约束点之间进行调整。稳索结构的作用是克服在大风，设备震动等情况下可能出现的索异常的抖动振动等不利情况。

进一步的，还包括俯仰精度控制结构6，俯仰精度控制结构是一种小型扇齿机构，主要包括啮合齿轮6.1及小扇齿轮6.2。小扇齿轮反装于反射体底部，穿过且与俯仰轴同轴；啮合齿轮安装在座架上，并于小扇齿轮啮合，由电机减速机组合提供力矩。在反射体的俯仰运动过程中，索驱动系统产生巨大拉力使得反射体沿俯仰轴转动，同时小型扇齿机构产生一定的反向对抗力矩。通过这种一正一反力矩的匹配，辅助反射体俯仰角度的精确控制，使得反射体的俯仰运动更加稳定。同时，该机构还可以辅助输出转动数据，例如环状码盘6.3，也能起到一定的制动作用，从而用于反射体俯仰姿态的锁定。

俯仰精度控制机构相对于索驱动在运动性质上来说，前者是刚性的，后者是柔性的；在运动贡献上来说，两者分别相当于一个“秀才”和一个“大力士”，在俯仰运动过程中的主要的驱动力量由索驱动提供，而在索驱动精度控制能力不足时，由俯仰精度控制机构发挥作用。

俯仰精度控制机构也可以是液压或丝杠等其他可精密控制的伺服控制机构。

进一步的，还包括俯仰限位结构。俯仰限位结构7有两个，分别安装在座架两侧，非对称设计，各自对应该方向的俯仰角度极限。俯仰限位结构结构形式相似，主要包括主体钢架7.1，缓冲平台7.2，缓冲单元7.3，锁定机构7.4等部分。其中的缓冲平台位于主体钢架的突出端部，缓冲单元和锁定机构分别安装在缓冲平台上。当俯仰运动快到极限位置时，反射体既定的突出位置会首先接触到俯仰限位装置的缓冲平台，在其冲击力量和速度得到缓冲后达到极限位置并停止运动。这个时候锁定机构可以对反射体进行强力的有效锁定。

在望远镜对天观测时，座架上的滚轮机构在地基的环形钢轨上回转运动，实现了整个望远镜的方位运动；索驱动装置及各种附属机构实现了反射体的俯仰运动。方位和俯仰运动都具有加速、减速、定位、制动等功能，两个运动相互配合，实现了反射体的精确指向。

位于一侧的索驱动装置中卷扬筒的转动带动了索的收缩和释放，实现了反射体的俯仰运动。俯仰运动的极限情况，反射体分别位于座架两侧的最低角度，对应每侧的俯仰限位装置，保证了望远镜天线在极限角度下的安全。

综上所述，本发明专利提供的技术方案通过单向索驱动的方式实现了望远镜天线的俯仰运动，消除了传统的大型扇齿轮机构，有效减少了望远镜天线中可运动反射体部分的重量，降低了总体高度；使得运动更加稳定可靠，并且制造成本低，维护方便。是对现有技术方案的的一个创造性的重要的改进。