一种基于格里高利馈源系统和索牵引并联机构的巨型射电望远镜

本发明涉及巨型射电望远镜，尤其是涉及一种基于格里高利馈源系统(gregorian feed system)和索牵引并联机构的巨型射电望远镜，该望远镜采用一种轴对称的格里高利馈源系统改正主反射面的球差，实现对电波信号的聚焦。该望远镜采用两级耦合的柔索牵引并联机构实现对观测目标的指向跟踪。其中，第一级为包含3根下拉索的超大跨度9索牵引并联机构，牵引焦舱大范围运动，实现对副镜a(含馈源接收机)初步的跟踪指向；第二级为焦舱内的8索牵引并联机构，该机构以焦舱主体承载框架为基座，完成对副镜a位姿的精调补偿。

背景技术：

1、上世纪六十年代，305米口径的美国arecibo望远镜突破了传统单天线射电望远镜口径不超过100米的极限，首次开创了建设巨型射电望远镜的新模式，其灵敏度因此显著提升，并收获了诺贝尔奖级的天文发现。arecibo望远镜采用格里高利馈源系统对入射的电磁波信号进行聚焦，其主反射面形状为固连于地面的球面，由此产生的反射信号球差由设在馈源舱内的两块副反射面(副镜)予以改正和聚焦。arecibo望远镜的优点是在工作中不用调整主反射面，仅仅调整馈源舱的位置和姿态即可完成对观测目标的跟踪和指向。arecibo望远镜的缺点是采用了重达近千吨的巨型刚性支撑平台作为调整馈源舱位置和姿态的基座，其信号遮挡影响较大，从而削弱了望远镜的有效接收面积。为减少刚性支撑平台对信号的遮挡，arecibo望远镜采用非轴对称的格里高利馈源系统设计其舱内的两块副镜，导致其馈源舱整体较大，其直径超过30米，重量达到了约80吨，信号聚焦的几何光路设计较为复杂。

2、2020年1月投入正式使用的500米口径球面射电望远镜fast在arecibo方案的基础上再次进行了创新，包括：①选择了几乎贴合反射面球面的喀斯特天然洼地台址，反射面开口张角接近120°，几乎是arecibo的3倍，增大了可观测天区覆盖范围；②可在球面和抛物面两种面形之间进行切换的主动变形反射面；③基于6索并联牵引馈源舱大范围运动模式的柔性轻型馈源支撑(舱-索系统)以取代arecibo的巨型刚性支撑平台。fast采用抛物面聚焦的原理，反射面主动变形形成瞬时抛物面，舱内的馈源接收机直接跟踪瞬时抛物面的焦点，工作原理简单可靠，聚焦的电磁波信号只需反射一次，其有效照明口径达到了300米，成为目前世界上最灵敏的射电望远镜，再次开创了建造巨型射电望远镜的新模式。

3、fast也存在一些缺点。首先，fast反射面采取主动变形的工作模式，对6000多根索网结构主索的要求极高，须满足500mpa@200万次的超高应力幅抗疲劳强度要求，超出目前已有国家标准的2倍以上，因而采用了特制的钢索工艺，其造价和运维成本均十分昂贵。此外，因反射面主动变形功能所带来的对反射面单元和液压促动器的特殊性能要求也进一步推高了反射面系统的建设和运维成本。其次，为满足反射面主动变形及抛物面面形在球面移动的要求，整个反射面被划分为4000多块面板单元，以便拟合成各种指向的抛物面。每块单元的面形为球面，因而与理想抛物面面形相比存在约2mm的拟合误差，再加上主动变形时索网节点的控制误差、反射面单元面形装配误差和测量误差等，反射面主动变形拟合成抛物面的综合面形误差约在均方根值5mm左右，按照反射面面形误差不超过入射信号波长的1/20计算，即工作频段上限应在3ghz左右，因此fast属于工作在中低频段的射电望远镜。未来，fast有可能进一步改善其面形精度，工作频段上限预计可升级到5ghz左右，但从上述工作原理可以推知，拟合误差无法消除，其上升空间十分有限。最后，fast的馈源舱与反射面之间没有刚性连接，馈源支撑和反射面的控制是相互独立的，需要二者之间进行同步联调，从而增加了望远镜跟踪控制系统的复杂性。

4、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于格里高利馈源系统和索牵引并联机构的巨型射电望远镜，该射电望远镜兼具arecibo和fast二者的优点，在保持望远镜超高灵敏度优势的前提下提高指向精度和面形精度，拓展望远镜工作频段，开创建设巨型射电望远镜的另外一种新模式。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种基于格里高利馈源系统和索牵引并联机构的巨型射电望远镜，包括：球面形状的固定式主反射面、设置于焦舱内的副镜a和副镜b；其中，

4、所述球面形状的固定式主反射面包括：格构柱、圈梁、主反射面以及下拉索；所述格构柱和圈梁构成反射面的周边支承结构；主反射面采用短程线网格划分方案和整体张拉式的索网结构，索网张成球面，为主反射面各单元提供支撑依托；每个索网节点连接一根所述下拉索，下拉索另一端连接于地锚；主索网和下拉索均预张紧；

5、设置于焦舱内的馈源接收机、副镜a和副镜b与主反射面一起构成格里高利馈源系统，实现对入射信号的聚焦和接收功能；

6、索牵引并联机构包括：一9索牵引并联机构和一8索牵引并联机构，分别用于望远镜对焦舱的牵引跟踪和位姿初调、以及对焦舱内副镜a位姿的二次精调补偿。

7、进一步，所述格构柱和圈梁采用空间网架钢结构形式；格构柱依据洼坑周边地形确定，圈梁依托格构柱架设，为主反射面周圈边缘提供同等水平高度的支承。

8、进一步，所述副镜a的口径为主反射面口径的1/40～1/30，高度为主反射面口径的1/50；其构成包括背架结构、促动器和镜面a；所述背架结构采用碳纤维空间网架结构；所述促动器进行微调，补偿副镜a在不同姿态下因重力场导致的面形误差；所述镜面a采用铝合金薄面板。

9、进一步，所述副镜b的尺寸比副镜a低2个数量级，以尽量减少对信号的遮挡，其构成包括背架结构和镜面b；所述背架结构采用碳纤维空间网架结构；所述镜面b采用旋转双曲面导电薄膜材料制成；所述副镜b通过数根预张紧副镜b牵引索悬挂于副镜a的腔室中。

10、进一步，所述9索牵引并联机构包括：6座高塔、3座矮塔、6根上牵引索、3根下牵引索、9套索驱动装置、环网光纤通讯、上位机和相关控制系统；其中，6座高塔设置在所述主反射面以外的外圈，构成正六边形；3座矮塔设置在主反射面的内圈，构成正三角形，矮塔通过设置在其上的下牵引索卷扬机牵引焦舱的下拉索；3座矮塔与6座高塔交错分布。

11、进一步，所述8索牵引并联机构包括：副镜a牵引绳、卷扬机、上位机和相关控制系统；其中，8台卷扬机基座均安装于焦舱主体承载框架上，8根副镜a牵引绳与副镜a构成过约束柔索牵引并联机构。

12、采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

13、本发明继承了fast馈源支撑系统轻量化和运动范围大的优点，设计了9索并联牵引焦舱的柔性舱-索系统，焦舱内承载馈源接收机，避免了arecibo望远镜的巨型馈源支撑平台。与fast类似，通过焦舱的大范围运动，实现巨型射电望远镜的观测指向和对目标天体的初步跟踪，但其球形主反射面保持固定不动。9索牵引并联机构中有3根钢索为下拉索，可以增加柔性舱-索系统的刚度，有望进一步提高馈源接收机的定位精度，从而提高巨型望远镜的指向精度。

14、本发明继承并改进了arecibo望远镜的聚焦原理，采用相对于主光轴(平行于入射信号方向)轴对称的格里高利馈源系统。焦舱内增设两块轴对称副反射面(副镜)用来改正主反射面的球差，将接收的电波信号通过3次反射后聚焦到焦舱内副镜a顶端的上方，即焦点位置f，详见图3。除考虑环境温度因素以外，球面主反射面几乎不需要调整，其构造可得到极大的简化，因此与fast相比，其主反射面的造价和运维成本可以显著降低。

15、通过引入格里高利馈源系统，将巨型望远镜的指向精度和副镜位姿精度的实时调整控制融合为一体，简化了望远镜的跟踪控制系统。通过优化格里高利馈源系统设计和引入8索牵引并联机构精调补偿副镜a的位姿，尽可能降低焦舱的尺寸和重量，实现焦舱的轻量化、小型化和运动灵活性。在不需要主动变形的情况下，巨型望远镜的球面主反射面可以做到较高的面形精度(主要补偿环境温度影响)，有望达到亚毫米量级，保障望远镜工作频段上限达到15ghz及以上，可为星际原子和分子谱线等中高频段射电天文研究提供高灵敏度观测的支撑。

16、本发明综合了fast和arecibo望远镜二者的优点，有效口径可达数百米量级，与fast相当，工作频段上限和指向精度可超过fast，有望开创建设巨型射电望远镜的另一种新模式。