大型可动式柱面天线结构设计与仿真分析.pdfVIP

摘要

射电天线是空间探测、暗能量观测、行星际探测等天文研究的重要装备。然

而，为提高灵敏度、分辨率及观测时间，天线面临大面积、可转动需求，由此给

射电天线的结构设计不断提出了新的挑战。本文主要以IPS（Interplanetary

Scintillation,IPS）射电望远镜天线结构为研究对象，开展天线结构的新型设计研

究。

根据IPS射电望远镜技术需求，提出一种基于“两心重合”原理的大型可动

式柱面天线的总体方案。分析天线结构特点、转动特性及其馈电特性，明确技术

指标，指出结构轻量化、驱动协同化、测姿在线化等关键技术与设计难点。

具体研究结构轻量化方法，引入索-桁架组合结构构型，包括劲性索、预应

力索和张弦梁结构，设计射电望远镜天线反射体结构模块，通过初步的力学分析，

验证反射体结构设计的合理性；引入拱形原理，开展斜拉索式、龙门架式、拱梁

式等馈源支撑模块的设计与力学分析，获得了馈源支撑结构的拱梁式结构；引入

桁梁结构体系，设计等强度天线座。结合力学分析，进行各部件拓扑优化，使各

模块结构较好地满足轻量化设计需求。最后，对天线结构整体进行力学分析与仿

真，完成天线结构重力、风载与雪载等多工况的静力学仿真分析和动力学模态分

析；结果表明正常工况下天线反射面变形最大误差为17.0mm，天线总体结构的

一阶固有频率为6.876Hz；在恶劣工况下，最大应力为320MPa小于345MPa，

均满足射电天线技术需求指标。

根据天线结构的“两心重合”型式的设计方案，引入GNSS（GlobalNavigation

SatelliteSystem,GNSS）测量技术，开展天线转动姿态角测量的可行性分析；设

计了多种天线姿态角测量方案，并对比分析；搭建了GNSS姿态角测量平台，开

发了测量数据处理程序，开展了姿态角测量实验。测量实验结果表明，该方案测

量误差小于0.2°，可满足射电天线技术需求指标。

本文设计的大型可动式射电望远镜天线，具有构型新颖、质量比小等特点，

为IPS和暗能量探测提供参考方案，也为其它类似天线结构设计提供借鉴。

关键词：射电望远镜，结构设计，力学分析，姿态测量

ABSTRACT

Radiotelescopehasbecomeaspecialequipmentforspaceexploration,

interplanetaryspaceexplorationanddarkenergyexploration.However,this

antennastructurehasincreasinglybecomerelativelylargeandmovable,sinceit

hasimprovedsensitivity,resolutionandobservationtime.Thisposesconstantly

newchallengestothestructuraldesignoftheradiotelescope.Thispapertakes

theIPSradiotelescopeastheresearchobject,andresearchesonnewantenna

structuredesign.

Accordingtotherequirementsofastronomydetection,thispaperput

forwardtheoverallschemeoflargerotableparaboliccylindricalantenna,andit

conformstotheprincipleoftwo-centercoincidence.Thenthispaperanalyzesthe

characteristicsofthestructure,rotationandfeed,anddefinesthekeydifficulties

intheschemesuchaslightweightdesign,drivesynergyand