РАДИОТЕЛЕСКОП С ЧАШЕЙ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДВЕСКЕ Российский патент 2024 года по МПК H01Q1/12 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к конструкциям радиотелескопов с параболическим зеркалом.

Конструкция радиотелескопа с чашей на аэродинамической подвеске предложена впервые и аналогов в современной технике не имеет. Данное описание базируется на предыдущей заявке автора, в которую внесены необходимые изменения и доработки.

На протяжении всего 20 века, с момента изобретения радиотелескопа, размер его главного зеркала, имеющего, в основном, форму параболоида вращения, постоянно увеличивался, и на сегодняшний день достиг 100 метров в диаметре, для телескопов с полноповоротным зеркалом. Такие большие размеры антенны необходимы астрономам, чтобы собирать как можно больше энергии от слабых радиоисточников, расположенных далеко от нашей планеты. Поэтому инженеры-конструкторы всего мира и стремятся создавать радиотелескопы с максимально большими размерами его приемной части. Но дальнейшее ее увеличение упирается в кубическую зависимость массы радиотелескопа от его размеров, что приводит к резкому росту напряжений и деформаций, как в самом рефлекторе антенны, так и в механизмах его поворота и вращения. Это, в свою очередь, приводит к искажению геометрии главного зеркала, что заставляет часть радиоволн проходить мимо приемника радиотелескопа, тем самым снижая его чувствительность. Для устранения такого дефекта, в конструкции радиотелескопов, стали применять адаптивный рефлектор, поверхность которого способна автоматически подстраиваться под нужную геометрию, тем самым компенсируя свою деформацию. Это отчасти решило проблему гигантских антенн, но не привело к снижению стоимости всего радиотелескопа.

Возникающие, под действием земного притяжения, изгибающие деформации главного зеркала можно устранить еще одним способом, который и составляет суть предлагаемого изобретения. Его идея заключается в том, чтобы сила тяжести, действующая на каждую точку антенны, уравновешивалась бы аэродинамической силой, равной по модулю, но противоположной по направлению, возникающей при прохождении воздушного потока сквозь решетку или сетку антенного полотна. Для этого под зеркалом антенны устанавливают воздушные вентиляторы, создающие вертикальный поток воздуха необходимой интенсивности, что позволит ей висеть в воздухе не касаясь земли. Однако, такая простейшая конструкция антенны из мягкого материала обладает рядом серьезных недостатков, из которых можно выделить три наиболее значимых:

1) Так как антенное полотно является эластичным, к нему не представляется возможным прикрепить на стойках вторичное зеркало (он же контррефлектор), как это делают в радиотелескопах классической конструкции. Поэтому его также придется делать на аэродинамической подвеске, что усложнит конструкцию всего радиотелескопа и снизит его надежность.

2) Управление антенной, т.е. ее наведение по вертикали и горизонтали, возможно только путем изменения, действующих, на противоположные (по отношению к центру) части антенны, аэродинамических сил, которое достигается изменением тяги соответствующих вентиляторов. Понятно, что при таком управлении антенной, ее точное наведение на объект не представляется возможным.

3) Главным недостатком все-таки является невозможность поддержания параболической формы антенны, при изменении ее положения в пространстве, из-за сложности создания в каждой ее точке скоростного потока воздуха заданного направления и значения.

Поэтому, чтобы сделать антенну на аэродинамической подвеске пригодной к эксплуатации, ее необходимо значительно доработать, прежде всего, повысить жесткость ее полотна, которую можно условно разделить на 4 уровня, от самой низкой до самой высокой:

1) Решетка антенны с нулевой жесткостью, выполненная из эластичной сетки без поддерживающего каркаса.

2) Решетка антенны малой жесткости, имеющая каркас из трубок малого диаметра, способного поддерживать форму антенны на расстоянии в несколько процентов от ее максимальных размеров.

3) Решетка антенны средней жесткости, каркас которой, кроме трубок, содержит еще балки, и поэтому его жесткость простирается на расстояние в 10 - 20% диаметра главного зеркала.

4) Решетка антенны высокой жесткости, имеющая еще более мощный каркас, который применяется в современных радиотелескопах, и способный противостоять изгибающему моменту в пределах всего диаметра антенны, а также поддерживать ее форму при боковом ветре.

Кроме увеличения жесткости антенного полотна, для поддержания ее формы, в конструкцию антенны еще необходимо добавить поворотные аэродинамические элементы (ПАЭ) с переменной площадью поверхности, снабженных автоматической системой управления (АСУ), что позволит регулировать, действующие на них, силы и менять их направление. Но поскольку эти поворотные элементы, из-за своих больших размеров и переменной конфигурации, не будут принимать участие в приеме и отражении радиоволн, то их суммарную площадь придется искусственно ограничить на уровне не более 10-20% от общей площади антенны. Это означает, что только небольшая часть воздушного потока, нагнетаемого вентиляторами, будет улавливаться и создавать подъемную силу. А 80-90% потока будет свободно проходить сквозь сетку антенны, слабо воздействуя на нее и практически не создавая подъемной силы. Таким образом энергетический КПД подвески антенной решетки с ПАЭ окажется низким и, учитывая высокий уровень шума вентиляторов, такая схема окажется малопригодной для практического использования.

Устранить этот недостаток можно единственным способом: это перенести вентиляторы с фундамента радиотелескопа на само зеркало антенны, соответственно уменьшив их количество и размеры. То есть необходимо будет пассивные ПАЭ заменить на активные, при этом, сохранив общую конструкцию антенны и систему управления отдельными элементами неизменной. Такая доработка антенной решетки несколько увеличит ее массу за счет добавления в ее состав электропривода вентиляторов и питающих электрокабелей, но все равно это принесет ощутимый эффект и полностью себя оправдает.

А для надежного крепления контррефлектора к главному зеркалу, придется отказаться от его аэродинамической подвески (АП) и использовать для этого выдвижную механическую опору (ВМО), на верхушку которой, через вертикальное поворотное устройство (ВПУ), он и будет крепиться на стойках вместе с главным зеркалом, которое сохранит свою АП, но при этом будет механически связано с обоими элементами конструкции. Такая жесткая связь (через механическую опору) антенны с землей позволит эффективно управлять радиотелескопом, с большой точностью наводя ее на выбранный участок звездного неба.

В конечном итоге радиотелескоп с зеркалом на АП будет состоять из трех основных частей: антенной решетки со встроенными вентиляторами, выдвижной механической опоры и укрытия в фундаменте, куда он будет убираться по окончании работы.

Конструктивно, главное зеркало радиотелескопа будет иметь малую жесткость и состоять из множества отдельных секций в форме треугольников, образующих единую параболическую поверхность, стороны которых будут собираться из трубок наибольшего диаметра, от которых будут отходить трубки среднего диаметра, а от них уже - наименьшего диаметра. И к этому каркасу из трубок и будет крепиться металлизированная сетка или решетка антенны. Причем треугольники будут соединяться между собой не напрямую острыми углами, а через неподвижное кольцо, внутри которого будет установлен активный ПАЭ, в виде подвижного кольца со жестко встроенным вентилятором. Это внутреннее кольцо будет иметь свою ось вращения (с электроприводом), которая должна быть параллельна оси вращения вертикального поворотного устройства (ВПУ), установленного на верхушке выдвижной механической опоры. А ось вращения ВПУ, соответственно, должна быть параллельна поверхности земли. Каждый ПАЭ должен иметь в своем составе микрокомпьютер (далее - контроллер) и как минимум два датчика: положения (поворота) внутреннего кольца (акселерометр) и датчик силы (тензодатчик), служащий для измерения силы, действующей вдоль оси вентилятора. В задачи контроллера входит поддержание необходимого угла наклона оси вентилятора и его оборотов, таким образом, чтобы сила отбрасываемого вниз воздуха (измеряемая тензодатчиком) по модулю и направлению, уравновешивала бы силу тяжести каждого из участков антенной решетки, примыкающего к поворотному кольцу. А переходя от отдельного участка ко всему зеркалу, можно сказать так: в задачи всех контроллеров входит поддержание суммарной тяги всех вентиляторов равной весу всего зеркала со всеми элементами конструкции.

Для сохранения зеркалом радиотелескопа своей параболической формы важное значение имеет калибровка датчиков измерения входящих в состав ПАЭ. Ее производят сразу после сборки антенной решетки, когда выдвижная опора находится в сложенном положении внутри шахты, а антенна внутри фундамента (в укрытии в форме параболической воронки). Перед началом калибровки включают активную подвеску чаши радиотелескопа и поднимают ее на высоту в несколько метров над поверхностью. Далее, регулируя обороты вентиляторов, добиваются точной параболической формы антенного полотна. Когда она будет достигнута, для каждого ПАЭ измеряют силу, действующую на тензодатчик вдоль оси вентилятора при ее строго вертикальном положении. После окончании измерений, индивидуальное значение этой силы закладывают в память каждого из контроллеров, входящего в состав ПАЭ. Уже во время работы радиотелескопа, каждый контроллер, регулируя обороты подконтрольного вентилятора, будет поддерживать собственное значение осевой силы, установленной во время калибровки. Также каждый из контроллеров будет поддерживать вертикальное положение оси вентилятора, путем подачи команд на сервопривод внутреннего (подвижного) кольца, в котором он установлен.

Дальнейшее описание конструкции радиотелескопа будет проиллюстрировано схемой, изображенной на представленном чертеже.

Из него видно, что конструкция выдвижной механической опоры 1 представляет из себя вертикальную трубу, изготовленную с возможностью вращения и подъема-опускания из вертикальной шахты 2. На верхушке ВМО находится вертикальное поворотное устройство 3, состоящее из горизонтальной оси вращения, к которой, с одной стороны, крепится решетчатая ферма 4, несущая на себе главное зеркало с контррефлектором, а с противоположной стороны к оси крепится противовес 5 с грузовым балластом. В нерабочем положении механическая опора будет находиться внутри шахты, расположенной по центру укрытия 6 в форме параболической воронки, поверхность которой должна совпадать с наружной поверхностью главного зеркала радиотелескопа. Назначение укрытия - служить опорой при сборе антенной решетки и последующем ее обслуживании, а также служить защитой от ветра в сложенном состоянии.

Работать радиотелескоп будет так: после включения активной подвески, выдвижная механическая опора, вместе с "невесомым" зеркалом, поднимется из укрытия и путем поворота вокруг собственной оси вращения наведется (по азимуту) на выбранный участок звездного неба, и далее, используя ВПУ, главное зеркало окончательно наведется (по высоте) на интересующий объект наблюдения. Во время поворота главного зеркала по вертикали, встроенные в него ПАЭ (кольца с вентиляторами), тоже будут поворачиваться, но в противоположном направлении, поддерживая, с помощью контроллеров, вертикальное положение осей вентиляторов.

Техническим достоинством изобретения - радиотелескопа с чашей на аэродинамической подвеске, является более выгодная квадратичная (или близкая к ней) зависимость его массы (а значит и стоимости) от размеров антенны, что делает возможным постройку радиотелескопа с полноповоротной антенной диаметром в несколько сотен метров.

Кроме этого достоинства данная конструкция радиотелескопа, по сравнению с классической, и после свой доработки, будет обладать рядом существенных недостатков:

1) Это необходимость иметь подземное укрытие для его хрупкой чаши - воронку большого диаметра, что приведет к удорожанию его строительства.

2) Высокий уровень шума, идущий от вентиляторов, делает невозможным расположение радиотелескопа рядом с жилыми постройками, а пункт его управления придется оснастить шумоизоляцией.

3) Невозможность создания сплошного антенного полотна, а только с использованием сетки (решетки), по причине давления воздушного потока, создаваемого, как вентиляторами, так и боковым ветром, на материал антенны, что ведет ее к деформации и увеличивает вес. Это, в свою очередь, из-за конечного размера ячейки антенной решетки, сильно ограничит минимальную длину волны принимаемого сигнала, что делает сложным постройку радиотелескопа с сантиметровым диапазоном волн и невозможным - с миллиметровым.

4) Наличие в составе антенны большого количества адаптивных ячеек - ПАЭ, на один - два порядка превосходящих их число в оптических телескопах с адаптивным зеркалом, значительно усложнит его конструкцию, увеличит время и затраты на разработку, а также последующее обслуживание.

5) Из-за большого числа активных элементов - вентиляторов, радиотелескоп, в режиме висения, будет потреблять значительное количество электроэнергии.

6) Легкая, ажурная конструкция чаши главного рефлектора, с невысокой жесткостью, делает его чувствительным к воздействию ветра. Поэтому пользоваться им можно будет только в безветренную погоду или применить для него радиопрозрачный обтекатель, что значительно увеличит стоимость всего радиотелескопа. Воздействие ветра на его решетчатую антенну можно частично купировать с помощью вентиляторов, наклоняя их ему навстречу. Но для этого потребуется увеличить степень свободы, каждого из вентиляторов, с одной до трех, т.е. дополнить одно внутреннее кольцо ПАЭ еще двумя такими же, что резко усложнит и удорожит конструкцию зеркала.

7) Невысокая механическая прочность трубчатого каркаса антенны, создает высокую вероятность ее разрушения при отключении электропитания вентиляторов, которое может произойти при обесточивании радиотелескопа или при сбоях в работе управляющих контроллеров.

Последний недостаток можно частично устранить, увеличив надежность электропитания, путем включения в его схему буферных аккумуляторов, которые способны на короткое время, пока телескоп будет опускаться в укрытие, обеспечить электроэнергией полезную нагрузку. Аккумуляторы желательно расположить как можно ближе к вентиляторам - на главном зеркале антенны. Но поскольку это увеличит ее массу, то лучше их перенести на вертикальное поворотное устройство, расположив их на противовесе, в дополнение к грузовому балласту.

Также предотвратить разрушение зеркала радиотелескопа, при остановке вентиляторов, можно, применив аварийный режим его опускания, при котором необходимо с высокой скоростью развернуть чашу и разблокировать вертикальную опору, обеспечив ее контролируемое падение в шахту. А для предотвращения удара антенны и опоры о поверхность, необходимо предусмотреть в конструкции радиотелескопа амортизирующие элементы. Например: можно натянуть над укрытием упругую сетку, тем самым превратив его в своеобразный батут.

Но быстрое разворачивание антенной решетки в горизонтальное положение, с большим ускорением, создаст в ее трубчатом каркасе опасные напряжения, что также может закончиться ее разрушением. Из-за этого конструкцию главного зеркала опять придется доработать, увеличив ее жесткость до среднего значения, заменив трубки на балки, толщина которых, от центра к периферии зеркала, будет постепенно уменьшаться. А из-за увеличения центральной массы зеркала, тягу вентиляторов в этом месте также придется увеличить.

Решить же проблему прочих недостатков радиотелескопа, мешающих его практическому воплощению, можно только кардинально поменяв его конструкцию, заменив аэродинамические поворотные элементы на неподвижные аэростатические - сферические или иные емкости, наполненные гелием. А о том как это сделать подробно рассказано в заявке на изобретение под номером 2023123760.

Использование: для создания радиотелескопа с чашей на аэродинамической подвеске. Сущность изобретения заключается в том, что радиотелескоп с чашей на аэродинамической подвеске состоит из укрытия в фундаменте, выдвижной механической опоры и главного зеркала, имеет укрытие в фундаменте в форме воронки, поверхность которой совпадает с наружной формой главного зеркала, в центре укрытия имеется вертикальная шахта, внутри которой находится выдвижная механическая опора, способная вращаться в горизонтальной плоскости, на верхушке которой располагается вертикальное поворотное устройство (ВПУ), состоящее из горизонтальной оси вращения, к которой с одной стороны прикреплена решетчатая ферма, несущая на себе главное зеркало антенны с контррефлектором, а с противоположной стороны на оси ВПУ установлен противовес с грузовым балластом, чаша главного зеркала состоит из множества секций в форме треугольников, образующих единую параболическую поверхность, каркас секций состоит из трубок или балок, покрытых металлизированной сеткой, каждая секция соединяется с соседней секцией через промежуточное кольцо, в которое встроено внутреннее кольцо с вентилятором, способное поворачиваться, ось вращения которого имеет электропривод и устанавливается параллельно оси вращения ВПУ, каждое поворотное кольцо с вентилятором имеет в своем составе электронный управляющий контроллер, в задачи которого входит поддержание оси вращения вентилятора в вертикальном положении, и таких его оборотов, при которых суммарная тяга, создаваемая всеми вентиляторами главного зеркала, была бы равна его силе тяжести. Технический результат: обеспечение возможности разгрузить зеркало радиотелескопа от собственного веса с помощью аэродинамических сил. 1 ил.

Радиотелескоп с чашей на аэродинамической подвеске, состоящий из укрытия в фундаменте, выдвижной механической опоры и главного зеркала, имеет укрытие в фундаменте в форме воронки, поверхность которой совпадает с наружной формой главного зеркала, в центре укрытия имеется вертикальная шахта, внутри которой находится выдвижная механическая опора, способная вращаться в горизонтальной плоскости, на верхушке которой располагается вертикальное поворотное устройство (ВПУ), состоящее из горизонтальной оси вращения, к которой с одной стороны прикреплена решетчатая ферма, несущая на себе главное зеркало антенны с контррефлектором, а с противоположной стороны на оси ВПУ установлен противовес с грузовым балластом, чаша главного зеркала состоит из множества секций в форме треугольников, образующих единую параболическую поверхность, каркас секций состоит из трубок или балок, покрытых металлизированной сеткой, каждая секция соединяется с соседней секцией через промежуточное кольцо, в которое встроено внутреннее кольцо с вентилятором, способное поворачиваться, ось вращения которого имеет электропривод и устанавливается параллельно оси вращения ВПУ, каждое поворотное кольцо с вентилятором имеет в своем составе электронный управляющий контроллер, в задачи которого входит поддержание оси вращения вентилятора в вертикальном положении, и таких его оборотов, при которых суммарная тяга, создаваемая всеми вентиляторами главного зеркала, была бы равна его силе тяжести.