Радиотелескоп с чашей на аэростатической подвеске Российский патент 2024 года по МПК H01Q1/12 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к конструкции радиотелескопа с параболическим зеркалом.

Прототипом данного изобретения является конструкция радиотелескопа-дирижабля, описанная автором в патенте RU 2795836, у которой позаимствована идея разгрузить чашу радиотелескопа с помощью подъемной силы воздуха, используя для этого оболочку наполненную гелием. Такая конструкция, с цельной оболочкой, обладает рядом недостатков, в частности: радиальной неравномерностью в создании подъемной силы, что ведет к возникновению изгибающих моментов, искривляющих поверхность чаши радиотелескопа, даже когда она находится в горизонтальном положении. Также при наклоне чаши происходит смещение центров ее тяжести и аэростатической подъемной силы, действующей на нее, от вертикальной линии, что дополнительно создает изгибающий момент, искажающий ее геометрию. Исправление этих недостатков в новом изобретении решается путем разбивки цельной оболочки дирижабля на более мелкие емкости шарообразной формы и размещение фрагментов (отдельных участков) чаши радиотелескопа внутри этих емкостей. Сам радиотелескоп выполнен в стационарном варианте, без возможности его перемещения, а его наземная конструкция, с убирающимся в укрытие главным зеркалом, позаимствована из другого изобретения автора, - радиотелескопа с чашей на аэродинамической подвеске (заявка 2022125123)

Хорошо известно, что главной проблемой при строительстве гигантских полноповоротных радиотелескопов является сохранение у них заданной формы поверхности главного рефлектора, которая стремится изогнуться под действием силы тяжести. В предлагаемом изобретении эта проблема решается достаточно просто и эффективно: сила тяжести, направленная вниз, нейтрализуется противоположной аэростатической силой, направленной вверх, создаваемая при помощи емкостей, наполненных легким газом гелием. Конструктивно это решается так: вся поверхность рефлектора радиотелескопа разбивается на множество участков, и к каждому из них крепится по две полусферических оболочки, одна из которых, изготовленная из радиопрозрачного материала, устанавливается сверху участка (с отражающей поверхностью), а вторая оболочка - непосредственно под ним. Для увеличения плотности размещения, емкости, наполненные гелием, на чаше рефлектора располагаются в шахматном (гексагональном) порядке, при этом между ними имеется зазор, шириной около метра, необходимый для прохода обслуживающего персонала.

Схема, реализующая такое расположение емкостей представлена на фиг. 1, на которой, для упрощения рисунка, изображены только часть емкостей (п. 1) в виде окружностей, и без рефлектора. А на фиг. 2 представлены те же емкости в сечении, но уже вместе с фрагментом рефлектора (п. 2)

Плотность размещения емкостей на поверхности рефлектора можно еще увеличить, если их сечение в месте крепления сделать не круглым, а шестиугольным. В этом случае емкости с гелием, если смотреть на них сверху, станут похожи на соты пчелиного улья.

Чтобы поверхность рефлектора, расположенная внутри гелеевой сферы, под собственным весом не прогибалась, ее целесообразно изготовить не в виде тонкого материала, а сделать составной с прослойкой из сотового наполнителя, наподобие композитных сэндвич-панелей.

При открытом расположении радиотелескопа, для снижения ветровой нагрузки, в его конструкции необходимо предусмотреть верхний и нижний обтекатели для главного зеркала. Верхний будет представлять из себя мембрану натянутую сверху рефлектора и закрепленную на его краях, а нижний - эластичную оболочку закрывающую нижние емкости с гелием.

Конструкция радиотелескопа на аэростатической подвеске проиллюстрирована схемой, изображенной на фиг. 3.

Из нее видно, что радиотелескоп имеет выдвижную механическую опору 3, которая представляет из себя вертикальную трубу, способную вращаться вокруг собственной оси, а также подниматься и опускаться в шахту 4. На верхушке механической опоры 3 находится вертикальное поворотное устройство 5, состоящее из горизонтальной оси вращения, к которой, с одной стороны, крепится решетчатая ферма 6 несущая на себе главное зеркало 2 с контррефлектором, а с противоположной стороны к оси крепится противовес 7 с грузовым балластом. В нерабочем положении механическая опора 3 будет находиться внутри шахты 4, расположенной по центру укрытия 8 в форме воронки, поверхность которой должна совпадать с наружной поверхностью главного зеркала радиотелескопа (в данном случае с нижним обтекателем 9). Назначение укрытия - служить опорой при монтаже зеркала и последующем его обслуживании, а также служить защитой от ветра, в сложенном состоянии.

Техническим достоинством изобретения, по сравнению с классической конструкцией радиотелескопа (всех типов), является значительно меньшая масса его главного зеркала и практически полное отсутствие статической нагрузки на выдвижную механическую опору (только масса контррефлектора с противовесом). Поэтому вместо кубической зависимости массы радиотелескопа (а значит и его стоимости) от его размеров, данная конструкция будет иметь более выгодную квадратичную (или близкую к ней) зависимость, что создает технические и финансовые предпосылки для постройки радиотелескопа с полноповоротной антенной диаметром в несколько сотен метров. Техническим результатом изобретения, по сравнению с радиотелескопом-дирижаблем, является очень малая деформация поверхности главного зеркала при любом его положении (наклоне) в пространстве, по причине совпадения центров приложения аэростатической силы и силы тяжести на каждом отдельном участке рефлектора, заключенного в емкость с гелием.

К недостатком радиотелескопа такой конструкции следует отнести слабую жесткость его главного зеркала, по причине одинаковой толщины композитного материала на всей площади его поверхности. Это обуславливает низкую сопротивляемость чаши радиотелескопа к ветровой нагрузки. Исправить этот недостаток можно, если значительно увеличить толщину зеркала в центре с плавным уменьшением к его краям. В этом случае, для компенсации увеличения его массы, емкости с гелием, расположенные ближе к центру рефлектора, придется сделать больших размеров, что приведет к искажению сотовой структуры расположения шаровых емкостей, в частности, к увеличению расстояний между ними. А это, в свою очередь, приведет к уменьшению плотности их упаковки и снижению подъемной силы на всей площади чаши.

Поэтому, чтобы избежать этого, лучше поступить по-другому: размеры гелиевых шаров сделать одинаковыми и подобрать их диаметр таким образом, чтобы создаваемая ими подъемная сила (на краях чаши) уравновешивала бы силу тяжести зеркала при их неполном заполнении гелием, т.е. часть объема емкостей заполнялось бы воздухом или чистым кислородом. Тогда, по мере движения от краев зеркала к его центру, можно было бы поднимать процентное содержание гелия, тем самым увеличивая подъемную силу шаров и компенсируя повышенную массу рефлектора в этом месте.

Можно пойти еще дальше и создать радиотелескоп с адаптивной поверхностью главного зеркала, способного изменять свою кривизну, тем самым компенсируя искажение своей геометрии из-за воздействия ветра. Для этого зеркало телескопа необходимо сделать двойной (двухслойной), а емкости с гелием расположить между слоями. Регулировка кривизны отражающей поверхности зеркала в данном случае будет достигаться путем изменения расстояния (толщины зеркала) между слоями материала в отдельных его частях.

Сделать это можно разными способами, один из которых заключается в установке между слоями натяжной системы из тросов. При этом, один конец каждого троса будет крепиться к верхнему слою зеркала, а другой конец, через натяжное устройство, к его нижнему слою. Для увеличения жесткости всей системы лучше использовать перекрестное расположение тросов (по аналогии со спицами колеса велосипеда). При этом емкости с гелием должны находиться под повышенным давлением, которое будет уравновешиваться силой натяжения тросов. Во время регулировки межслойного расстояния, когда будет происходить сближение слоев, шарообразные емкости начнут сплющиваться, приобретая эллипсоидную форму, а давление в них будет расти, что может привести к разрыву их оболочки. Поэтому будет лучше, если избыточное давление газа установить не только в одних шарах с гелием, но и во всем воздушном промежутке между слоями зеркала. А его значение лучше поддерживать постоянным: при сближении слоев, лишний воздух выбрасывать в атмосферу, а избыток гелия в шарах, по системе трубопроводов, отводить во внешний резервуар.

Это было последнее описание из "трилогии" изобретений, посвященных разработке гигантских полноповоротных радиотелескопов, которое, обладая наименьшими недостатками, является наиболее перспективным для практической реализации в технике земной астрономии.

Использование: для создания радиотелескопа с параболическим зеркалом. Сущность изобретения заключается в том, что в первом варианте емкости с гелием состоят из двух частей, верхней и нижней полусферы, каждая из которых крепится к своему участку поверхности зеркала, сверху и снизу, соответственно. Во втором варианте эти емкости располагаются между слоями двухслойного зеркала, способного менять свою кривизну, путем изменения расстояния между слоями, которое производится с помощью тросовой системы натяжения. Главный рефлектор вместе с контррефлектором крепится через решетчатую ферму к вертикальному поворотному устройству с противовесом. Все это находится на конце выдвижной опоры, которая в нерабочем положении вместе с зеркалом убирается в укрытие и расположенную по ее центру шахту. Технический результат: обеспечение возможности разгрузить зеркало радиотелескопа от собственного веса с помощью аэростатических сил, действующих со стороны емкостей с гелием. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Радиотелескоп с чашей на аэростатической подвеске, состоящий из укрытия в фундаменте, выдвижной опоры с главным зеркалом, поверхность которого разделена на множество участков, расположенных в шахматном порядке, к каждому из которых сверху и снизу прикреплены сферические оболочки, наполненные гелием, причем верхняя изготовлена из радиопрозрачного материала, чаша радиотелескопа имеет укрытие в фундаменте в форме воронки, поверхность которой совпадает с наружной формой главного зеркала, а в центре укрытия имеется вертикальная шахта, которая предназначена для выдвижной механической опоры, способной вращаться в горизонтальной плоскости, на ее верхушке располагается вертикальное поворотное устройство, состоящее из горизонтальной оси вращения, к которой с одной стороны прикреплена решетчатая ферма, несущая на себе главное зеркало с контррефлектором, а с противоположной стороны на оси вращения установлен противовес с балластом.

2. Радиотелескоп с чашей на аэростатической подвеске, состоящий из укрытия в фундаменте, выдвижной опоры с главным зеркалом, способным изменять кривизну своей поверхности, зеркало изготовлено из двух слоев материала, между которыми, в шахматном порядке, располагаются емкости с гелием, а в промежутке между ними установлены тросы, каждый из которых одним концом прикреплен к верхнему слою зеркала, а другим концом, через натяжное устройство, к его нижнему слою, чаша радиотелескопа имеет укрытие в фундаменте в форме воронки, поверхность которой совпадает с наружной формой главного зеркала, а в центре укрытия имеется вертикальная шахта, которая предназначена для выдвижной механической опоры, способной вращаться в горизонтальной плоскости, на ее верхушке располагается вертикальное поворотное устройство, состоящее из горизонтальной оси вращения, к которой с одной стороны прикреплена решетчатая ферма, несущая на себе главное зеркало с контррефлектором, а с противоположной стороны на оси вращения установлен противовес с балластом.