大型天线结构瞬态温度场及热变形研究

Thermal gradients in the antenna is identified as one of the major contributors to the reflector surface accuracy.The calculation method of thermal analysis and perfect temperature measurement system should be established in order to anticipate temperature and thermal deformation induced by sun radiation,convection heat transfer and enviromental large-wave radiation.Outer thermal flux,non-uniform temperature field and thermal deformation under sun shine are the principal problems in this project.Firstly,the outer thermal flux is calculated by software.The transient temperature field and thermal deformation are simulated after the outer thermal flux served as boundary condition was applied.Secondly,both contact and non-contact temperature measurement method are simultaneously adopted to obtain characteristic parameters so that we can explain the nature of thermal deformation.Finally,the theoretical model of thermal analysis is obtained by comparing simulated result to experimental result.The active control system is adopted to modify thermal deformation and enhance reflector surface accuracy.The project will make a breakthrough in theoretical research of thermal analysis and offer rests of analysis and control for antenna surface accuracy.

温度是影响大型天线反射面型面精度的重要因素之一，为了精确预报太阳辐射、空气对流换热及环境长波辐射等作用引起的天线结构温度变化及由此导致的热变形，需要确立准确的热分析计算方法并建立完善的温度测量系统。本项目紧紧围绕复杂结构外热流计算方法、日照非均匀温度场及天线结构热变形的分析方法三个核心问题展开研究。首先借助软件计算外热流，并将其作为边界条件施加到有限元结构上，实现天线结构瞬态温度场及热变形的模拟分析。然后同时采用接触和非接触两种温度测量方法获取天线结构的温度特征参数，实验解析热变形产生的本质。最后数值模拟结果与实验结果对比修正热分析理论模型，由此来精确预报天线结构的热变形，采用主动面系统对变形进行修正，进而提高天线反射面精度。本项目将在大型天线结构热分析的理论研究方面取得一定的突破，为天线结构的型面精度分析和控制提供依据。

摘要：随着我国航天事业和天文学研究的快速发展，对射电望远镜精度的要求越来越高，温度是引起望远镜精度变化的主要因素之一，具有瞬时性和不确定性等特点，很难掌握其变化规律，因此有必要对其关键技术展开研究。首先，对天线结构的温度分布及热变形进行仿真分析：基于辐射强度计算公式编译软件，计算不同时刻、望远镜不同方位俯仰角下天线结构各节点的直接太阳辐射、散射太阳辐射和地面反射太阳辐射强度。将辐射强度及环境温度作为载荷施加到有限元模型上，计算天线结构温度场分布。根据天线结构的温度梯度变化计算结构的热变形。一天中，主面背架最高温度44.2℃，最大分布温差7.2℃；座架最高温度44.9℃，最大分布温差10.8℃。太阳照射引起阴阳面，会造成主反射面不均匀热变形，在90°工况下导致RMS最大增加0.35mm。其次，展开天线结构温度分布及热变形的实验研究：根据天线结构温度采集系统的国内外研究现状，确定温度采集系统方案及传感器的型号，完成天线座架温度传感器的安装，目前搜集了春夏秋三季的座架节点温度数据，春、夏季具有相似的变化规律，昼夜温差约14.5℃，秋季随太阳视运动轨迹的变化，其温度峰值出现时间有所变化，昼夜温差为12.6 ℃，三季昼夜温差引起的倾斜仪在垂直于俯仰轴方向发生至少30arcsec的变化。最后，进行全息法的基础研究：采用相位干涉全息法，在Ku波段、俯仰角52°进行了多次微波全息测量，结果显示主反射面的型面精度为0.56mm (RMS)。同时，利用获得的口径面相位拟合获得了副面的偏移量。主面精度测量及主副面关系确定方法为后续温度致主面精度及焦距变化的研究奠定了基础。