Регулирование адаптивной поверхности главного зеркала радиотелескопа
Решение задачи регулирования адаптивной поверхности главного зеркала радиотелескопа, предназначенного для работы в миллиметровом диапазоне радиоволн. Моделирование полномасштабной конечно-элементной модели полноповоротной зеркальной антенной системы.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.09.2011 |
| Размер файла | 6,8 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Размещено на http://www.allbest.ru
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:
L_p=0,01 м - перемещение
t_p=0,1 с - время перемещения
Teta_fo_max=10^-5 м - максимальная ошибка слежения
n_id=45 об/мин - число оборотов ИД
M_id_max=0,102 кгм - крутящий момент
N_id = 4,5 Вт - мощность ИД
U_id=22 В - напряжение ИД
I_id=0,137 А - пусковой ток
T_id_j=0,01 с - постоянная времени якорной цепи ИД
t_r=0,1 с - время разгона
m_pz=5 кг - масса
f_m=10 Гц - резонансная частота
Ksi_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:
1. 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;
2. На основе вычисленных деформированных состояний радиотелескопа РТ-70 в зависимости от различных геометрических и климатических параметров:
2.1. Построить семейство параболоидов, аппроксимирующих с высокой степенью точности реальное 3-D деформированное состояние основного рефлектора;
2.2. 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;
2.3. Определить вектор смещения контррефлектора, находящегося на деформируемых опорах, в фокус аппроксимирующего параболоида.
Для достижения поставленных целей необходимо решить задачи:
1. Разработка и построение полномасштабной 3-D CAD-модели радиотелескопа РТ-70;
2. 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;
3. Многовариантные КЭ исследования и вычисления глобальных матриц температур и глобальных матриц перемещений для различных геометрических и климатических параметров;
4. 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;
5. Определить вектор смещения узлов крепления домкратов к фацетам в соответствующие точки поверхности аппроксимирующего параболоиде;
6. 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 л/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:
1. зеркальная система, формирующая определенным образом радиолуч, (радиосигнал);
2. опорно-поворотное устройство, обеспечивающее заданную пространственно-временную ориентацию радиолуча;
В свою очередь зеркальная система состоит из:
1. зеркало;
2. каркас;
3. контррефлектор;
4. опора контррефлектора;
5. облучатель;
6. подвеска облучателя.
Классификация антенных устройств может быть осуществлена по следующим признакам:
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Классификация по форме диаграммы направленности. Это карандашный луч, ножевая (отражатель выполнен в виде параболического цилиндра), многолучевая, сканирующая и другие диаграммы направленности зеркальной системы.
6. 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.
7. 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";
– дискретные одноотсчетные электромеханические индукционные преобразователи угла типа многополюсного вращающегося трансформатора с наружными диаметрами от 60 до 500 мм с точностью 0,5" для контроля углового положения исполнительных осей следящих ЭСП наведения ОЗ, КР и ЗП.
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.
«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.
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.
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. Размещение ТВИС
Светодиоды расположены с таким шагом (рисунок 1.8), что как минимум два из них одновременно находятся в поле зрения ТВИС. В свою очередь, каждый ТВИС одновременно с помощью матричных фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС) определяет положение СД, в результате чего по номеру СД (грубый отсчет) и его положению в поле ФПЗС (точный, нониальный отсчет) определяются координаты в первом и втором ТВИС.
Рисунок 1.8. Схема измерения азимута (вид сверху)
Синхронная обработка результатов измерений по специальному алгоритму позволит частично исключить погрешности от смещения оси вращения телескопа от воздействия ветровых и тепловых деформаций конструкции.
Точный, нониальный отсчет обеспечивается параметрами оптической системы 3 ТВИС (рисунок 1.9а), геометрическими характеристиками матрицы ФПЗС 1 и цифровой обработкой изображений СД (рисунок 1.9б).
Рисунок 1.9. Оптическая система ТВИС (а) и цифровая обработка изображений СД (б)
При определении координат наиболее приемлемым является алгоритм определения энергетического центра тяжести изображения, достоинствами которого являются простота и высокая точность (погрешность составляет 0,1…0,01 размера элемента ФПЗС).
1.5 Общий анализ погрешностей измерений в системе
Расчет погрешности измерительного канала основан на данных научно-технической литературы, а также на результатах исследований, проектных разработок и макетных экспериментов, проводящихся в отраслевой научно-исследовательской лаборатории кафедры "Оптико-электронные приборы и системы".
Несмотря на кажущуюся простоту алгоритма аналитически оценить погрешность измерения непросто. Вызвано это разнообразием факторов, которые могут влиять на эту погрешность. Принято выделять три основных фактора, влияющих на измерение: разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП), величина рассеяния изображения, отношение сигнал/шум.
Основные ошибки измерения вызываются методическими, технологическими и эксплуатационными факторами.
Методические погрешности
Методические погрешности, в основном, связаны с выбранным алгоритмом определения положения изображения.
При выбранном алгоритме определения энергетического центра тяжести изображения на стенде НПЛ ОЭС экспериментальным путем на макете с указанной матрицей получены значения погрешности определения положения точечного изображения составила 0,05…0,07 размера пиксели ФПЗС (время измерений порядка 1 минуты, размер изображения более 5 пикселей матрицы). Для этой величины погрешность измерения азимута при выбранных параметрах оптической системы составит
мет = arctg (6,50,05/1400000) = 0,046".
Указанная погрешность носит случайный характер поскольку имеет много составляющих: на нее влияют как шумы матрицы, так и источника, неэффективность переноса и т.д.
Технологические погрешности
Технологические погрешности определяются погрешностью изготовления оптических деталей, погрешностью измерения дистанции до СД и шагом элементов матрицы ФПЗС.
Погрешность фокусного расстояния объектива и измерения дистанции до источника излучения вызывают погрешность измерения угла, которую нетрудно вычислить.
Погрешность измерения дистанции до источника излучения (например, при изгибе конструкции от воздействия ветра на 50 мм) вызывает погрешность измерения угла, которую нетрудно вычислить
дист = arctg (200/50000) - arctg [200/(50000-50)] = 0,79".
Полагая, что величина погрешности изготовления фокусного расстояния не превышает 0,1% от величины фокусного расстояния [4-6], для максимального смещения угла н в численном виде значение будет
фок = н f/f= 0,1 arctg (200/50000) = 0,8"
Эксплуатационные погрешности
К эксплуатационным погрешностям следует отнести динамические погрешности и погрешности, вызываемые изменением внешних факторов: температуры, ветра, - и односторонним нагревом конструкции телескопа солнечным излучением.
На практике во многих случаях для коротких дистанций на горизонтальных трассах градиент температуры можно считать постоянным, и тогда смещение луча вызовет погрешность измерений угла. Градиент температуры воздушного тракта вызывает угловое смещение пучка, что приводит к погрешности измерения азимута. Для градиентов температур в камеральных условиях 0,010С/м на указанных дистанциях искомая погрешность будет равна
темп = hтемп /L = 0,056/50000= 0,224"
Учитывая двухканальность варианта измерения угла азимута, указанная величина может быть уменьшена, но и для условий открытой атмосферы величина градиента может быть тоже значительно больше.
Учесть влияние ветра достаточно сложно для условий открытой атмосферы и местности, и предлагается для указанного варианта считать:
ветер = темп
Суммарная погрешность измерения
Суммарное значение погрешности измерений в каждом канале определяется из выражения
= = (0,0462+0,792+0,82+0,0142+0,2242+0,2242+0,32)0,5 = 1,2"
Анализ показывает, что наиболее сильное влияние на погрешность измерения оказывают технологические и эксплуатационные погрешности.
2. Разработка методики расчета аппроксимирующего параболоида деформированной поверхности главного зеркала по результатам измерений заданного поля точек, принадлежащих этой поверхности
2.1 Конструкции каркаса зеркальных систем
Основное требование, предъявляемое к конструкциям каркаса зеркальной системы, состоит в стабильном сохранении заданной геометрической формы установленной на каркасе отражающей поверхности зеркала и положения элементов облучающей системы относительно зеркальной системы.
В эксплуатации переменные весовые, ветровые, температурные и динамические воздействия вызывают деформации каркаса зеркальной системы, характер и величина которых зависят в основном от его жесткости и конструктивной схемы, определяющей сопряжение каркаса с опорой и с нагрузками со стороны конструкций облучающей системы.
Для крупных и наиболее высокоточных зеркальных антенн сантиметрового и миллиметрового диапазонов требуемые точности зеркальной системы составляют 0.1…1 мм при диаметрах антенн 10…100 м. Построить зеркальные системы с наиболее высокими параметрами практически возможно лишь при использовании различных методов автоматической компенсации переменных деформаций их каркаса и ограничения переменных составляющих внешних влияний. При этом требование к средствам компенсации сводится к поддержанию теоретической формы зеркал в таких пределах, в которых сохраняется достаточно хорошая фокусировка поля в фокальном пятне, а нестабильность положения фокуса жестких ограничений не накладывается, поскольку эта часть расфокусировки сравнительно легко компенсируется.
Указанная компенсация реализуется либо естественным путем за счет выбора жесткости и массы соответствующих опор, либо принудительно с помощью механизмов с дистанционным автоматическим управлением по программным данным или от датчиков контроля расфокусировки зеркальной системы. Часть поперечной расфокусировки, которая не сказывается существенно на эффективности антенны, компенсируется введением угловой поправки в систему наведения.
2.2 Поверхность аппроксимирующего параболоида
Отражающая поверхность главного зеркала больших зеркальных антенн обычно выполняется в виде набора отдельных панелей, установленных на каркасе зеркала и не учитывающих в работе его силовой схемы. Точность поверхности складывается из точностей изготовления и регулировки панелей на каркасе и стабильности их положения и формы в условиях эксплуатации.
Отражающая поверхность параболоида должна отвечать трем требованиям:
1. при любых условиях, в которых работает телескоп, она не должна отклоняться значительно от идеальной формы;
2. она должна отражать практически все радиоволны, падающие на нее в выбранном диапазоне волн и углов поляризации;
3. она должна быть максимально легкой и хорошо обтекаемой ветром.
Анализ причин снижения эффективной эксплуатационной площади больших зеркальных антенн показывает, что главным является отступление геометрии зеркальной системы от расчетной, обусловленное:
1. ошибками при ее изготовлении. Листы обшивки могут отклоняться от идеальной формы между точками, в которых они крепятся к каркасу антенны. Часто, например, отражающая поверхность между точками крепления изготавливается плоской, а не искривленной;
2. упругими деформациями металлоконструкций зеркальной системы. Основными факторами, влияющими на точность отражающей поверхности после ее сборки, являются внешние воздействия: переменные гравитационные, ветровые и тепловые поля.
Наиболее актуальной задачей при проектировании современных наземных антенн является устранение влияния упругих деформаций зеркальной системы на ее радиотехнические характеристики. Методы непрерывной коррекции деформации в реальном масштабе времени не имеют принципиальных ограничений для компенсации любых деформаций, однако практическая реализация этих методов наталкивается на значительные трудности в части измерения положения элементов зеркальной системы и точек щитовой обшивки, образующей отражающие поверхности.
Сохранение формы основного зеркала обеспечивается гомологичностью несущего каркаса, а фазовая компенсация деформаций осуществляется путем перемещения вторичной облучающей системы. Использование принципа гомологических деформаций позволяет значительно снизить деформации зеркальной системы, возникающие под действием гравитационных сил. Однако, несмотря на то, что некомпенсируемые деформации основного зеркала составляют всего несколько процентов от общей величины деформаций, это является препятствием для использования принципа гомологических деформаций в миллиметровом диапазоне волн. Разработка математических моделей и способов оценки отклонения конструкции от принципа гомологических деформаций в результате воздействия гравитационных сил на этапе конструирования является актуальной задачей.
Гравитационные деформации являются наиболее изученными. Деформации, связанные с тепловыми воздействиями, наименее изучены. Именно этот тип деформаций является основным барьером на пути освоения миллиметрового диапазона в радиоастрономии и связи, а материальны затраты на его преодоление весьма значительны. Это касается как наземных антенн, так и антенн космического базирования. Тепловые воздействия оказывают влияние на точность антенных установок, начиная с момента монтажа и затем в процессе эксплуатации.
Однако, несмотря на большое количество проведенных исследований, как с помощью аналитических, так и экспериментальных методов, задача об устранении влияния упругих деформаций зеркальной системы, возникающих под действием различных внешних воздействий на ее радиотехнические характеристики, остается еще не полностью решенной. Это связано с тем, что рассмотренные методы не всегда удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к точности создания отражающей поверхности антенны, или не могут быть применены на этапе проектирования конструкции. Решение подобных задач, с учетом всех особенностей конструкции и с нужной степенью точности на этапе проектирования может быть проведено только с помощью КЭ моделирования.
КЭ моделирование позволяет оценить поведение пространственных конструкций под воздействием различных внешних факторов. Современный уровень компьютерной техники позволяет решать сложные пространственные задачи термомеханики с учетом контактных взаимодействий, физических (свойства материала зависят от температуры, теплообмен излучением, учет пластических свойств и др.) и геометрических (большие перемещения, деформации и повороты) нелинейностей в течение нескольких часов. Необходимо отметить, что в реальных экспериментах информацию можно получать, как правило, в десятках или сотнях точек, а при численном моделировании таких точек может быть несколько сотен тысяч или более.
2.3 Общий алгоритм адаптивной настройки зеркальной системы радиотелескопа РТ-70, подверженной гравитационному воздействию
Гравитационные деформации составляют основную часть деформаций, обусловленных различными внешними воздействиями. Следует отметить, что эти деформации оказывают влияние на точность антенных установок, как в момент монтажа, так и в процессе эксплуатации. В результате внешних воздействий деформированное основное зеркало радиотелескопа теряет параболическую форму, а контррефлектор выходит из фокуса зеркальной системы (рис. 2.1), что приводит к резкому падению точности антенной установки.
В ходе выполненных конечно-элементных (КЭ) исследований разработаны 3D КЭ модели полноповоротной антенны РТ-70, которые учитывают четыре основных конструкционных элемента реальной конструкции (рис. 2.1):
Ш Основной рефлектор (R), состоящий из 1 188 фацет (тонкостенных оболочек), все фацеты делятся вдоль образующей на 14 уровней (ярусов), а также в окружном направлении: в 1-м (верхний ряд) и 2-м уровнях- 144 фацеты, в 3-6 уровнях - 108 фацет, в 7-11 уровнях - 72 фацеты, в 12-14 уровнях - 36 фацет; фацеты каждого уровня геометрически отличаются габаритами, числом перфорированных ребер жесткости и т.д. Фацеты крепятся к ферменному каркасу с помощью четырех домкратов (q), расположенных в углах фацет;
Ш Ферменный каркас радиотелескопа состоит из ~ 13 000 труб различного диаметра (~ 10 основных типоразмеров труб);
Ш Контррефлектор (CR) с опорами;
Ш Восьмигранник с сигарой.
Рис. 2.1. Основные элементы реальной конструкции
Ферменный каркас и опоры контррефлектора моделируются с помощью стержневых элементов.
В результате выполненных КЭ исследований сформулированы основные цели работы и общий алгоритм адаптивной настройки зеркальной системы радиотелескопа РТ-70, подверженной гравитационному воздействию.
Основные цели работы:
Ц.1 На основе вычисленных деформированных состояний основного зеркала радиотелескопа и в зависимости от различных геометрических, климатических и временных параметров построить семейство параболоидов, аппроксимирующих реальное деформированное состояние основного рефлектора, - семейство аппроксимирующих параболоидов P:
,
где - глобальная матрица перемещений, возникающих в результате гравитационных воздействий на рефлектор; - угол наклона оси радиотелескопа по отношению к горизонту (угол места, рис.1.2),
, , - число шагов , с которыми мы проходим все множество возможных значений ; - общее число степеней свободы в КЭ-моделе, применяемой для решения задач термоупругости (в работе используется модель с степенями свободы);
Рис.2.2. Угол между направлением падения солнечных лучей и горизонтом
- глобальная четырехмерная матрица перемещений, возникающих в результате температурных воздействий на рефлектор; - угол между направлением падения солнечных лучей и внешней (внутренней) нормалью () к поверхности основного рефлектора; R - радиус-вектор точки на срединной поверхности основного рефлектора, - угол между направлением падения солнечных лучей и горизонтом (рис.2.2), , , - число шагов , с которыми мы проходим все множество возможных значений ; - азимут (рис.2.2), , , - число шагов , с которыми мы проходим все множество возможных значений ; - параметр, характеризующий климатические условия в определенный -день (“медленное время”, в високосный год, в любой другой год) и -час года (“быстрое время”, ); - время, соответствующее определенным минутам часа (в численных исследованиях не учитывается).
Замечание: Матрица является инвариантной относительно параметров .
Ц.2 Перемещение контррефлектора, находящегося на деформируемых опорах, в фокус построенного аппроксимирующего параболоида:
радиус-вектор точек контррефлектора, где - радиус-вектор точек контррефлектора в отсчетной недеформированной конфигурации (удобная для описания, но нереализуемая на практике конфигурация, т.к. даже в процессе монтажа конструкция подвержена влиянию внешних воздействий), - глобальная матрица перемещений, возникающих в результате гравитационных воздействий на контррефлектор, имеет подобную структуру; - глобальная четырехмерная матрица перемещений, возникающих в результате температурных воздействий на контррефлектор, имеет подобную структуру; - вектор смещения, переводящий контррефлектор в фокус аппроксимирующего параболоида.
Перед КЭ определением глобальной четырехмерной матрицы перемещений для контррефлектора , следует определить четырехмерную матрицу температур , имеет подобную .
Ц.3. Перемещение фацет зеркальной системы в точки поверхности аппроксимирующего параболоида, соответствующего данному положению.
Для достижения поставленных целей разработан следующий алгоритм:
0. Использование полномасштабной CAD-модели радиотелескопа РТ-70;
I. Использование иерархических последовательностей математических моделей и проведенных КЭ адекватного описания деформированного состояния, возникающего в радиотелескопе под действием температурных и гравитационных воздействий;
I.I Исследование иерархических последовательностей “гравитационных” моделей и проведение КЭ исследований деформированного состояния радиотелескопа под действием гравитационных сил;
II Использованием результатов многовариантных конечно-элементных исследований и глобальных матриц температур и глобальных матриц перемещений:
1 ; ;
2 ; ;
3 ; .
III. Определение суммарного поля перемещений основного зеркала:
;
IV. Определение суммарного поля перемещений контррефлектора:
;
V. Построение аппроксимирующего параболоида с помощью метода наименьших квадратов путем минимизации суммы квадратов отклонений между расчетными и квазиоптимальными положениями узлов КЭ модели:
;
VI. Перемещение контррефлектора в фокус построенного аппроксимирующего параболоида:
;
VII. Перемещение мест крепления домкратов к фацете в точки поверхности аппроксимирующего параболоида:
,
где , .
2.4 Пространственная геометрическая модель радиотелескопа
В современной программной CAD-системе была создана пространственная модель радиотелескопа, в которой учитываются следующие конструктивные элементы (рис. 2.3-2.10):
1. Основной рефлектор, состоящий из фацет (тонкостенных оболочек);
2. Ферменный каркас радиотелескопа, моделируется с помощью стержневых элементов. При создании модели учитывались такие детали, как шпильки, с помощью которых происходит соединение фацет с ферменным каркасом конструкции;
3. Контррефлектор;
4. Опорно-поворотную систему.
А также представлено сравнение реальной конструкции (радиотелескоп П-2500), расположенной в Крыму (г. Евпатория), и созданной пространственной модели радиотелескопа.
Рис.2.3
Рис.2.4
Рис.2.5
Рис.2.6
Рис. 2.7
Рис. 2.8
|
|
|
|
|
Рис. 2.9 |
||
|
|
||
|
Рис. 2.10 |
2.5 Конечно-элементное исследование деформированного состояния радиотелескопа РТ-70 под действием гравитационных воздействий. Построение семейства аппроксимирующих параболоидов
Сохранение формы основного зеркала обеспечивается гомологичностью несущего каркаса, а фазовая компенсация деформаций осуществляется путем перемещения вторичной облучающей системы. Использование принципа гомологических деформаций позволяет значительно снизить деформации зеркальной системы, возникающие под действием гравитационных сил. Однако, несмотря на то, что некомпенсируемые деформации основного зеркала составляют всего несколько процентов от общей величины деформаций, это является препятствием для использования принципа гомологических деформаций в миллиметровом диапазоне волн. Разработка математических моделей и способов оценки отклонения конструкции от принципа гомологических деформаций в результате воздействия гравитационных сил на этапе конструирования является актуальной задачей.
2.5.1 КЭ исследование 3D деформированного состояния РТ-70 под действием гравитационных воздействий
Исследуем пространственное деформированное состояние радиотелескопа РТ-70 под действием гравитационных воздействий с целью исследования зависимости полей компонентов вектора перемещения от угла наклона оси радиотелескопа по отношению к горизонту (угол места, рис.2.12) , , , - число шагов , с которыми мы проходим все множество возможных значений . В конечно-элементном эксперименте будем считать, что .
Рис. 2.11
Механические свойства используемых в модели материалов: фацета, контррефлектор - алюминий: E1 = 72 ГПа - модуль Юнга, н1 = 0.31 - коэффициент Пуассона, б1 = 2.33?10-5 K-1 - коэффициент линейного температурного расширения; ферменный каркас, опоры контррефлектора, восьмигранник и сигара - сталь: E2 = 210 ГПа, н2 = 0.28, б2 =1.17?10-5 K-1.
Считаем, что в местах расположения цапф будем считать, что конструкция жестко защемлена (, рис. 2.12).
|
|
|
|
Рис. 2.12 |
На рис.2.15,2.17 представлено поле компонента вектора перемещения , в цилиндрической системе координат, расположенной в вершине параболоида, описывающего недеформированную форму зеркальной системы, так что ось Oz параллельна вектору гравитационных сил и противоположна по направлению (рис.2.13) для угла места (рис.2.14). На рис. 2.19 представлено поле компонента вектора перемещения , возникающее в основном зеркале радиотелескопа РТ-70 для угла места . Установлено, что в этом случае максимальные значения компонента вектора перемещения возникают в центральной части зеркальной системы, минимальные значения - наблюдаются на краю зеркальной системы. Все фацеты основного зеркала смещаются в направлении действия, прикладываемой нагрузки.
На рис.2.16,2.18 представлено поле компонента вектора перемещения , в цилиндрической системе координат, расположенной в вершине параболоида, описывающего недеформированную форму зеркальной системы, так что ось Oz параллельна вектору гравитационных сил и противоположна по направлению (рис.2.25) для угла места (рис.2.26). На рис. 2.20 представлено поле компонента вектора перемещения , возникающее в основном зеркале радиотелескопа РТ-70 для угла места . Установлено, что в этом случае максимальные значения компонента вектора перемещения возникают на краю зеркальной системы, минимальные значения - наблюдаются в центральной части зеркальной системы. С увеличением радиальной координаты, значения компонента вектора перемещения постепенно возрастают и фацеты, расположенные в последних поясах сдвигаются сильнее, чем фацеты, расположенные в первых поясах.
На рис. 2.22 представлены графики зависимости компонентов вектора перемещения , вдоль линии AB (рис. 2.21). Значения компонентов вектора перемещения , имеют различные знаки и возникающие перемещения вдоль оси Oz в три раза больше перемещений вдоль радиального направления. В силу симметричности полученного поля перемещений контррефлектор смещается из фокуса недеформированного зеркала только вдоль оси Oz
|
|
|
|
|
Рис. 2.13 |
Рис. 2.14 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.15 |
Рис. 2.16 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.17 |
Рис. 2.18 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.19 |
Рис. 2.20 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.21 |
Рис. 2.22 |
2.5.2 Построение семейства аппроксимирующих параболоидов
На основе вычисленных деформированных состояний радиотелескопа, подверженного гравитационному и воздействию построим семейство параболоидов, аппроксимирующих реальное деформированное состояние основного рефлектора, - семейство аппроксимирующих параболоидов P:
,
где - глобальная матрица перемещений, возникающих в результате гравитационных воздействий на рефлектор; - угол наклона оси радиотелескопа по отношению к горизонту (угол места, рис.2.23), , , - число шагов , с которыми мы проходим все множество возможных значений ; - общее число степеней свободы в КЭ-моделе, применяемой для решения задач термоупругости (в работе используется модель с степенями свободы);
Рис. 2.23
- глобальная четырехмерная матрица перемещений, возникающих в результате температурных воздействий на рефлектор; - угол между направлением падения солнечных лучей и внешней (внутренней) нормалью () к поверхности основного рефлектора; R - радиус-вектор точки на срединной поверхности основного рефлектора, - угол между направлением падения солнечных лучей и горизонтом (рис.2.24), , , - число шагов , с которыми мы проходим все множество возможных значений ; - азимут (рис.2.24), , , - число шагов , с которыми мы проходим все множество возможных значений ; - параметр, характеризующий климатические условия в определенный -день (“медленное время”, в високосный год, в любой другой год) и -час года (“быстрое время”, ); - время, соответствующее определенным минутам часа (в численных исследованиях не учитывается).
Замечание: Матрица является инвариантной относительно параметров .
Построим семейство аппроксимирующих параболоидов P используя метод наименьших квадратов.
Кратко опишем метод наименьших квадратов (МНК). Предположим, что в результате проведенных вычислений мы получили ряд точек, которые характеризуются координатами . Для того чтобы через имеющееся множество точек провести определенный тип зависимости и выбрать ее числовые параметры , таким образом, чтобы она в известном смысле наилучшим образом проходила через все множество точек и используется МНК.
Подобные документы
Преимущества зеркальных антенн, использование зеркала с параболической формой поверхности. Геометрические параметры зеркала и облучателя. Профиль зеркала, облегчение его конструкции. Допуски на точность установки облучателя в фокусе, описание конструкции.
курсовая работа [414,1 K], добавлен 03.12.2010Объекты в космосе, излучающие в радиодиапазоне. Цель изучения космических радиоволн. Исследование космического излучения с поверхности Земли. Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой. Характеристики и свойства радиотелескопа. Проект "Радиоастрон".
контрольная работа [2,6 M], добавлен 18.05.2014Общая характеристика зеркальной антенны, ее назначение и применение. Расчет зеркальной параболической антенны сантиметрового диапазона с облучателем в виде пирамидального рупора. Определение коэффициента усиления с учетом неточности изготовления зеркала.
курсовая работа [579,3 K], добавлен 18.01.2014Описание принципов работы зеркальной антенны. Составление электрической схемы, проектирование излучателя. Расчет параметров зеркала и вращающегося сочленения. Вычисление коэффициента полезного действия. Диапазонные свойства электрической прочности.
курсовая работа [275,5 K], добавлен 19.01.2016Выбор функции амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала. Расчёт размеров раскрыва, ДН и размеров облучателя. Расчёт реального распределения поля и ДН зеркала. Выбор фидерного тракта. Коэффициент направленного действия зеркальной антенны.
контрольная работа [1,6 M], добавлен 05.12.2013Требования, предъявляемые к спутниковым антеннам. Общие сведения и принцип действия зеркальной антенны. Расчет пирамидального облучателя и диаграммы направленности. Определение коэффициента направленного действия. Геометрические размеры зеркала.
курсовая работа [102,3 K], добавлен 15.05.2014Выбор функции амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала, расчет рупорного облучателя, реального распределения поля и фридерного трака с целью конструирования зеркальной антенны, предназначенной для обнаружения радиолокационных сигналов.
задача [367,9 K], добавлен 23.09.2011Определение шумовой температуры фидерного тракта. Угол раскрыва и фокусное расстояние зеркальной антенны. Диаграммы направленности облучателя, распределение поля в апертуре зеркала. Сопоставление расчетного и заданного уровня боковых лепестков.
курсовая работа [572,6 K], добавлен 13.02.2011Характеристики и параметры моноимпульсной БРЛС, её антенной системы. Разрешающая способность РЛС. Помехоустойчивость как определяющий фактор работоспособности РЛС. Моделирование полотна АФАР. Сравнение характеристик антенн, преимущество зеркальной модели.
курсовая работа [179,7 K], добавлен 18.12.2009Фазированная антенная решётка, способы расположения элементов. Сектор сканирования ФАР. Расчет длины волны. Моделирование антенной решетки. Трехмерное изображение антенной решетки с рефлектором. Угол наклона главного лепестка диаграммы направленности.
контрольная работа [1,3 M], добавлен 06.01.2014
