提升大口径反射面天线服役性能的未来研究趋势.docx
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1、深空测控网在卫星通信、载人航天、深空探测等人类空间活动中具有重要地位,而大口径反射面天线是深空测控网的重要组成。该类天线的主要特点是口径极大,通常需要严格的表面精度以保障高增益和高指向精度等电性能要求。根据反射面天线是否全向可动,可分为两大类:非全向可动天线和全向可动天线。中国贵州50Om口径球面射电望远镜是典型的非全向可动天线,反射面面板只能在小角度范围内转动,该天线的口径超级大,主要用于低频观测。全向可动天线的反射面可以在方位和俯仰两个方向转动,根据天线口径和最高工作频率,将其划分为四种类型,如图1所示。第一类天线指传统的大口径反射面天线,因表面精度较低,只能工作在较低的工作频段。第二类天
2、线指面板安装有促动器的大口径主动主反射面天线,可通过促动器来调整反射面的形面精度,其表面精度更高,因此,相对反射面不可调的第一类天线而言,其可工作的频段更高。例如,美国100m绿岸射电望远镜(greenbanktelescope,GBT),该天线主反射面由2004块面板拼装而成,共计安装2209个促动器。160XTraditionalreflector,largeaperture1201.MT50m/1008041.ST50mIGN40mMY50mJMS66m20MRT30mSEST15mCCAT25mAt1.AST50mPMO60mV1.MT80mFuturelargeantennasA1.
3、MA12mHHTWmJCMT15mKM40m1.ovell76mQTT110mGBT100mSRT64mTM65mActivereflector,largeapertureSubmiilimeterwave,relativelysmallapertureSubmilimeterwave,largeaperture,conceptualdesign(O1.*Cos6U卷s第三类天线指口径较小、精度更高的亚毫米波天线,例如,阿塔卡玛大型毫米波天线阵(AtaCamalargernillimeterarTay,A1.MA)的组成单元12m口径天线,其表面精度高达0.01mm。第四类天线指口径较大的亚毫
4、米波天线,该类天线的口径大且精度要求高,导致天线结构对服役环境非常敏感,图1给出了几个典型的已公开的大口径亚毫米波天线,该类天线目前均处于概念设计阶段。Effelsberg100mParkes64m图1根据口径和最高工作频率划分的四类全向可动反射面天线。IGN:西班牙国家地理研究所;MY:密云:JMS:佳木斯;KM:昆明;1.MT:潟西哥大型亳米波望远镜;QTT:奇台射电望远镜:SRT:撒J.岛射电望远镜;TM:天马:HHT:赫兹望远镜;JCMT:麦克斯韦望远镜:MRT:西班牙亳米波射电望远镜;SEST:瑞典ESO(欧洲南方天文台)亚亮米波望远镜;CCAT:康奈尔加州理工阿塔卡马望远镜:At1
5、.AST:阿塔卡马大口径亚克米波望远镜:PM0:紫金山天文台;V1.MT:甚大亮米波望远镜;1.ST:大型亚亳米波望远镜因大口径高精度反射面天线的结构对环境非常敏感,导致其高服役性能很难保障。天线台址通常位于戈壁或高山区域,除了自身重力之外,像风荷、温度、惯性、振动冲击等其他外部载荷是不可避免的,严重降低了天线的服役性能。工程中当天线温度梯度较大或者风荷较强时,天线仅在低频进行观测,故减小了天线高频观测任务的有效时长。因此,未来大口径高精度反射面天线相关研究应聚焦在天线服役性能提升方面,使天线在服役过程中具有更远的探测距离、更高的分辨率和稳健性,进而有效保障天线高频观测任务。基于相关研究现状,
6、概括了九个提升天线服役性能的关键研究方向,如图2所示。图2提升天线服役性能的关键研究方向。(D机电耦合;(M)状态监测;(Mi)热变形补偿;(iv)8*Pft311vrc风扰控制;(V)多系统协同调控:(Vi)误差影响分析;(Vii)人工智能应用:(Viii)新的测量方案;(ix)创新结构设计。UAV:无人机;AI:人工智能机电耦合环境因素通过影响天线结构部件来影响天线的电性能,天线结构和电性能之间具有相互影响和相互制约关系,因此,天线好的电性能的实现依赖于考虑环境因素作用下的多学科综合设计水平。文献给出了天线结构与电磁之间的机电耦合模型,并开展了相应的机电耦合分析,未来需进一步探索天线服役环
7、境与其结构和电磁之间的耦合关系,从而为考虑环境因素的多学科集成设计和服役性能提升提供理论支撑。*、状态监测高精度大尺度转动部件是大口径反射面天线方位和俯仰精确驱动的关键,因天线的低速重载条件和恶劣服役环境,转动部件的表面磨损是不可避免的,恶化了天线的转动精度,将引起天线的指向误差。同时,天线的服役性能依赖于结构抵御环境扰动的稳健性,天线环境和结构状态发生变化将导致天线服役性能的改变。因此,未来需要从以下两个方向开展研究: 研究天线转动系统磨损演变机理和动态载荷作用下轮轨接触问题,通过转动系统的状态监测实时分析其对天线性能的影响和开展转动部件寿命预测工作; 建立天线环境信息和结构状态的实时监测系
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