70 m天線反射體的安裝與測(cè)量*

郭可敬，王博通，賀新剛

（1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所，陜西 西安710065；2. 陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065）

引 言

70 m天線作為我國(guó)目前最大的全可動(dòng)單體天線，將在我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。由于天線反射體的精度是評(píng)價(jià)和衡量大型天線性能指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)[1]，因此，提高反射體的裝調(diào)精度是大型天線安裝至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，而合理的裝配和檢測(cè)方法對(duì)提高天線反射體的裝調(diào)精度尤為重要[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外已建成十多部大型射電望遠(yuǎn)鏡。這些望遠(yuǎn)鏡的反射體形式各有不同[3]，根據(jù)反射體的背架型材，可分為矩形管和圓管桁架結(jié)構(gòu)，根據(jù)背架節(jié)點(diǎn)形式，又可分為節(jié)點(diǎn)板接頭和球節(jié)點(diǎn)接頭。美國(guó)的100 m天線GBT和德國(guó)的100 m天線Effelsberg都采用圓管、節(jié)點(diǎn)板結(jié)構(gòu)；意大利的64 m天線SRT和美國(guó)的50 m天線LMT則采用矩形管、節(jié)點(diǎn)板的結(jié)構(gòu)形式；我國(guó)的65 m天線Tianma則使用圓管、球接頭及節(jié)點(diǎn)板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式；本文所述的70 m天線采用圓管、球接頭的結(jié)構(gòu)形式。相對(duì)于矩形管節(jié)點(diǎn)板接頭式桁架結(jié)構(gòu)，圓管球接頭桁架結(jié)構(gòu)剛度大，變形小，有利于實(shí)現(xiàn)高精度反射面，但圓管球接頭形式的大型天線反射體背架的裝配難度也較大。

GBT，LMT，SRT及Tianma等大型天線都是采用促動(dòng)器進(jìn)行主反射面補(bǔ)償調(diào)整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]，有效提高了主反射面的精度。GBT，LMT，SRT及Tianma的主反射面精度分別為0.24 mm，0.075 mm，0.15 mm及0.3 mm。Effelsberg采用了副面可調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主反射面精度為1 mm，而采用同樣結(jié)構(gòu)形式的70 m天線的主反射面精度達(dá)到了0.2 mm。目前，70 m天線是沒(méi)有采用促動(dòng)器進(jìn)行主反射面補(bǔ)償調(diào)整的大型天線中主反射面精度最高的天線。由于其設(shè)計(jì)精度高，因此對(duì)反射體的安裝及檢測(cè)要求也更高。國(guó)內(nèi)外對(duì)大型天線結(jié)構(gòu)方面的研究主要集中在天線的保型設(shè)計(jì)及天線主反射面精度的測(cè)量等方面，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝的研究很少。本文主要介紹了70 m天線反射體安裝現(xiàn)場(chǎng)行之有效的裝配工藝和測(cè)量方法，為高精度大型天線反射體的安裝提供參考。

1 反射體的結(jié)構(gòu)形式及安裝工藝流程

大型天線的主反射面精度與其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密不可分，因此大型天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是大型天線設(shè)計(jì)過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。為了提高天線主反射面的精度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們采取了一系列辦法來(lái)提高反射體背架的結(jié)構(gòu)剛度[5]。大型天線的主反射面精度不但取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也取決于安裝工藝。合理的安裝工藝能使安裝事半功倍，直接決定現(xiàn)場(chǎng)安裝作業(yè)的質(zhì)量和效率。

1.1 70 m天線反射體的結(jié)構(gòu)形式

70 m天線反射體的直徑為70 m，高約20 m，總質(zhì)量約為500 t，主要由中心體、背架及天線面板組成，如圖1所示。其中，中心體和背架是以焊接為主的桁架結(jié)構(gòu)。桁架以焊接球作為節(jié)點(diǎn)，通過(guò)焊接的方式與圓管連接。球節(jié)點(diǎn)式桁架結(jié)構(gòu)具有剛度大、變形小、承載力大、受力可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以在空間鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛[6]。反射體中的面板與背架之間通過(guò)調(diào)整螺桿連接定位。

圖1 70 m天線反射體

1.2 安裝工藝流程

70 m天線反射體的安裝工藝流程如圖2所示。按照先安裝中心體、再安裝天線背架及面板的順序進(jìn)行。在安裝中心體之前需要提前裝調(diào)中心體支撐定位工裝。在安裝反射體背架時(shí)，采用了間隔安裝背架小端單元的安裝方法，減輕了反射體的整體吊裝重量，保證了吊裝安全。在反射體吊裝之后再補(bǔ)裝背架剩余的部分管件，最后裝調(diào)面板。

圖2 70 m天線反射體的安裝工藝流程

先安裝中心體再安裝反射體背架是天線反射體安裝的一般流程。上述安裝工藝方案的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）將復(fù)雜的三維空間桁架結(jié)構(gòu)的安裝分解為諸多二維單元體的安裝，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)安裝的難度。圖2中的中心體內(nèi)環(huán)框架、外環(huán)框架、接頭、輻射梁及桿件都是二維的鋼結(jié)構(gòu)。

2）把大量的高空作業(yè)轉(zhuǎn)換成了地面作業(yè)，有效提高了現(xiàn)場(chǎng)施工的安全性。所有框架、接頭、輻射梁及背架小端單元的安裝都是先在地面拼焊成型后再整體吊裝的。

3）把總體串行的安裝方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇⑿邢嘟Y(jié)合的方式，縮短了安裝周期。

圖3為反射體的安裝流程示意圖。70 m天線反射體的裝配難點(diǎn)是幾乎所有桁架之間的連接方式都是焊接，因此在裝焊過(guò)程中必須將每個(gè)桿件的裝配尺寸控制在±2 mm以內(nèi)，以保證反射面的調(diào)整點(diǎn)在調(diào)整范圍內(nèi)，便于后續(xù)反射面板的安裝。

圖3 70 m天線反射體的安裝流程示意圖

2 反射體的安裝檢測(cè)

天線反射體的安裝檢測(cè)及反射面精度的測(cè)量是實(shí)現(xiàn)主反射面調(diào)整過(guò)程的第一步。一般測(cè)量精度要求達(dá)到大型天線表面誤差的1/3 ～1/5。因天線口徑大，主反射面精度高，因此對(duì)反射體精度檢測(cè)技術(shù)的要求也比較苛刻。

目前，國(guó)內(nèi)外采用的天線反射面精度測(cè)量方法主要有經(jīng)緯儀、全站儀、激光跟蹤儀和攝影測(cè)量（表1）。此外，還有很多天線采用了激光測(cè)距、全息法等測(cè)量方法，這些方法都具有很大的靈活性。GBT最初用全站儀結(jié)合經(jīng)緯儀進(jìn)行安裝測(cè)量，我國(guó)的Tianma則采用攝影測(cè)量法進(jìn)行主反射面精度測(cè)量，而70 m天線采用全站儀結(jié)合攝影測(cè)量的方法進(jìn)行反射體的安裝檢測(cè)。全站儀結(jié)合攝影測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是在保證檢測(cè)精度的條件下，能有效提高檢測(cè)效率。

表1 大型天線反射面精度主要測(cè)量方法

影響大型天線反射體安裝精度和安裝效率的因素有很多。從宏觀上對(duì)70 m天線反射體的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行綜合考慮：一要考慮球節(jié)點(diǎn)式桁架結(jié)構(gòu)的檢測(cè)方法；二要合理進(jìn)行測(cè)量基準(zhǔn)的確定及轉(zhuǎn)換。這兩點(diǎn)也是大型天線反射體安裝的難點(diǎn)。

2.1 大型球節(jié)點(diǎn)式桁架結(jié)構(gòu)的檢測(cè)方法

要保證反射體背架的安裝精度誤差在±2 mm以內(nèi)，就必須精確控制中心體定位支撐工裝裝調(diào)、框架焊接以及輻射梁焊接等流程中每一個(gè)環(huán)節(jié)的安裝精度。上述結(jié)構(gòu)件都是球節(jié)點(diǎn)式桁架結(jié)構(gòu)，因此如何控制球節(jié)點(diǎn)式桁架結(jié)構(gòu)的安裝定位及測(cè)量精度就成了70 m天線反射體安裝工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了如圖4所示的定位及檢測(cè)工裝，其中，φ1為定位板的內(nèi)徑，φ2為檢測(cè)板的外徑，φ3為定位板的外徑，φ4為球節(jié)點(diǎn)的直徑。球節(jié)點(diǎn)的位置通過(guò)定位板間接定位，檢測(cè)使用的儀器是全站儀。將圖4（a）所示的檢測(cè)板放在定位板上，然后通過(guò)全站儀觀測(cè)檢測(cè)板中心圓孔處靶球的位置，即可計(jì)算出定位板的具體位置。測(cè)調(diào)好定位板的具體位置后，去掉檢測(cè)板，將球節(jié)點(diǎn)放入定位板中心孔內(nèi)，即可固定球節(jié)點(diǎn)的位置，如圖4（b）所示。這種定位方式的精度一方面與定位及檢測(cè)工裝自身的配合精度有關(guān)，另一方面也與調(diào)整精度相關(guān)。這種工藝的總體裝調(diào)精度在0.5 mm以內(nèi)，完全滿足類似大型結(jié)構(gòu)件的安裝精度要求。此外，本文還設(shè)計(jì)了如圖5所示的V型定位塊，用來(lái)定位與球節(jié)點(diǎn)相貫的管件的位置。

圖4 球節(jié)點(diǎn)的定位與檢測(cè)

圖5 球節(jié)點(diǎn)的定位與V型定位塊的使用

2.2 檢測(cè)基準(zhǔn)的確定及轉(zhuǎn)換

在一般情況下，測(cè)量大型天線時(shí)需要在天線安裝場(chǎng)地四周布置一定數(shù)量的穩(wěn)定的強(qiáng)制對(duì)中測(cè)量墩，構(gòu)成高精度的安裝測(cè)量控制網(wǎng)[7]。然而，強(qiáng)制對(duì)中測(cè)量墩的建設(shè)周期較長(zhǎng)，成本高，施工難度大。因此，大型天線的安裝測(cè)量往往需要因地制宜地靈活選擇合理的測(cè)量基準(zhǔn)，這樣才能在滿足精度要求的前提下提高效率，節(jié)約成本。

70 m天線反射體的安裝測(cè)量?jī)?nèi)容主要包括反射體背架、面板調(diào)整機(jī)構(gòu)、面板、副反射體、副面支撐等的安裝測(cè)量，選用的是全站儀測(cè)量系統(tǒng)。圖6為反射體安裝測(cè)量控制網(wǎng)。在安裝前期，通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，選定了反射體周圍三處建筑物上的穩(wěn)定特征點(diǎn)（圖6中的1，2，3）作為安裝反射體的基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖6 70 m天線反射體的安裝測(cè)量控制網(wǎng)

在大型天線反射體的安裝過(guò)程中，合理的基準(zhǔn)確定及轉(zhuǎn)換是保證整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安裝誤差最小化的關(guān)鍵[8]。檢測(cè)基準(zhǔn)的確定及轉(zhuǎn)換需要注意以下幾點(diǎn)：1）保證測(cè)量基準(zhǔn)的統(tǒng)一?；鶞?zhǔn)的統(tǒng)一是指中心體、背架、面板、副面以及饋源等的安裝基準(zhǔn)應(yīng)該統(tǒng)一為一個(gè)基準(zhǔn)。2）至少有3個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)作為安裝過(guò)程的控制網(wǎng)，每個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)獨(dú)立存在，不能與安裝的結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。同時(shí)測(cè)量基準(zhǔn)必須穩(wěn)定不動(dòng)，而且最好在反射體的整個(gè)安裝過(guò)程中不被遮擋。3）保證測(cè)量基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換次數(shù)最小。每進(jìn)行一次基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換都會(huì)損失裝調(diào)精度，因此在裝調(diào)過(guò)程中盡量減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換次數(shù)。在裝調(diào)70 m反射體時(shí)只轉(zhuǎn)換了一次基準(zhǔn)，即在反射體吊裝之后，將背架及面板的安裝基準(zhǔn)轉(zhuǎn)至換饋機(jī)構(gòu)上。

70 m 天線主反射面的調(diào)整精度最終達(dá)到了0.2 mm的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，因現(xiàn)場(chǎng)采用了合理的工藝及檢測(cè)方法，70 m天線反射體的地面拼裝時(shí)間大大縮短，相比其他大型天線動(dòng)輒數(shù)年的安裝周期，其安裝效率得以明顯提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

因體積大、重量重、裝配精度高等原因，大型天線反射體的現(xiàn)場(chǎng)安裝尤為困難，只有結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定合理的安裝方法和步驟，才能有效提高安裝效率和裝配精度，并節(jié)約成本。本文介紹了70 m天線反射體的結(jié)構(gòu)形式，闡述了安裝工藝及其優(yōu)點(diǎn)，分析了大型天線反射體裝配過(guò)程中的2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)（定位及測(cè)量工裝在大型球節(jié)點(diǎn)式桁架結(jié)構(gòu)反射體安裝過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用；測(cè)量基準(zhǔn)選取及轉(zhuǎn)換的方法和一般原則）。這些研究及應(yīng)用實(shí)例對(duì)大型天線反射體的現(xiàn)場(chǎng)安裝具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。