郭可敬，王博通，賀新剛

（1. 中國電子科技集團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重點實驗室，陜西西安710065）

引 言

70 m天線作為我國目前最大的全可動單體天線，將在我國深空探測領域發(fā)揮重要作用。由于天線反射體的精度是評價和衡量大型天線性能指標的關鍵參數[1]，因此，提高反射體的裝調精度是大型天線安裝至關重要的環(huán)節(jié)，而合理的裝配和檢測方法對提高天線反射體的裝調精度尤為重要[2]。

目前，國內外已建成十多部大型射電望遠鏡。這些望遠鏡的反射體形式各有不同[3]，根據反射體的背架型材，可分為矩形管和圓管桁架結構，根據背架節(jié)點形式，又可分為節(jié)點板接頭和球節(jié)點接頭。美國的100 m天線GBT和德國的100 m天線Effelsberg都采用圓管、節(jié)點板結構；意大利的64 m天線SRT和美國的50 m天線LMT則采用矩形管、節(jié)點板的結構形式；我國的65 m天線Tianma則使用圓管、球接頭及節(jié)點板相結合的結構形式；本文所述的70 m天線采用圓管、球接頭的結構形式。相對于矩形管節(jié)點板接頭式桁架結構，圓管球接頭桁架結構剛度大，變形小，有利于實現高精度反射面，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器進行主反射面補償調整的結構設計[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采用了副面可調的結構設計，其主反射面精度為1 mm，而采用同樣結構形式的70 m天線的主反射面精度達到了0.2 mm。目前，70 m天線是沒有采用促動器進行主反射面補償調整的大型天線中主反射面精度最高的天線。由于其設計精度高，因此對反射體的安裝及檢測要求也更高。國內外對大型天線結構方面的研究主要集中在天線的保型設計及天線主反射面精度的測量等方面，對現場安裝工藝的研究很少。本文主要介紹了70 m天線反射體安裝現場行之有效的裝配工藝和測量方法，為高精度大型天線反射體的安裝提供參考。

1 反射體的結構形式及安裝工藝流程

大型天線的主反射面精度與其結構設計密不可分，因此大型天線的結構設計是大型天線設計過程中至關重要的環(huán)節(jié)。為了提高天線主反射面的精度，結構設計師們采取了一系列辦法來提高反射體背架的結構剛度[5]。大型天線的主反射面精度不但取決于結構設計，也取決于安裝工藝。合理的安裝工藝能使安裝事半功倍，直接決定現場安裝作業(yè)的質量和效率。

1.1 70 m天線反射體的結構形式

70 m天線反射體的直徑為70 m，高約20 m，總質量約為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構。桁架以焊接球作為節(jié)點，通過焊接的方式與圓管連接。球節(jié)點式桁架結構具有剛度大、變形小、承載力大、受力可靠等優(yōu)點，所以在空間鋼結構中應用廣泛[6]。反射體中的面板與背架之間通過調整螺桿連接定位。

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行。在安裝中心體之前需要提前裝調中心體支撐定位工裝。在安裝反射體背架時，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裝背架剩余的部分管件，最后裝調面板。

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)點如下：

1）將復雜的三維空間桁架結構的安裝分解為諸多二維單元體的安裝，大大降低了現場安裝的難度。圖2中的中心體內環(huán)框架、外環(huán)框架、接頭、輻射梁及桿件都是二維的鋼結構。

2）把大量的高空作業(yè)轉換成了地面作業(yè)，有效提高了現場施工的安全性。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變?yōu)榇⑿邢嘟Y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是幾乎所有桁架之間的連接方式都是焊接，因此在裝焊過程中必須將每個桿件的裝配尺寸控制在±2 mm以內，以保證反射面的調整點在調整范圍內，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

天線反射體的安裝檢測及反射面精度的測量是實現主反射面調整過程的第一步。一般測量精度要求達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，因此對反射體精度檢測技術的要求也比較苛刻。

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

表1 大型天線反射面精度主要測量方法

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70 m天線反射體的結構形式進行綜合考慮：一要考慮球節(jié)點式桁架結構的檢測方法；二要合理進行測量基準的確定及轉換。這兩點也是大型天線反射體安裝的難點。

2.1 大型球節(jié)點式桁架結構的檢測方法

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

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

圖4 球節(jié)點的定位與檢測

圖5 球節(jié)點的定位與V型定位塊的使用

2.2 檢測基準的確定及轉換

在一般情況下，測量大型天線時需要在天線安裝場地四周布置一定數量的穩(wěn)定的強制對中測量墩，構成高精度的安裝測量控制網[7]。然而，強制對中測量墩的建設周期較長，成本高，施工難度大。因此，大型天線的安裝測量往往需要因地制宜地靈活選擇合理的測量基準，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量內容主要包括反射體背架、面板調整機構、面板、副反射體、副面支撐等的安裝測量，選用的是全站儀測量系統(tǒng)。圖6為反射體安裝測量控制網。在安裝前期，通過長期監(jiān)測，選定了反射體周圍三處建筑物上的穩(wěn)定特征點（圖6中的1，2，3）作為安裝反射體的基準點。

圖6 70 m天線反射體的安裝測量控制網

在大型天線反射體的安裝過程中，合理的基準確定及轉換是保證整個結構系統(tǒng)安裝誤差最小化的關鍵[8]。檢測基準的確定及轉換需要注意以下幾點：1）保證測量基準的統(tǒng)一?；鶞实慕y(tǒng)一是指中心體、背架、面板、副面以及饋源等的安裝基準應該統(tǒng)一為一個基準。2）至少有3個測量基準作為安裝過程的控制網，每個測量基準獨立存在，不能與安裝的結構體產生關聯。同時測量基準必須穩(wěn)定不動，而且最好在反射體的整個安裝過程中不被遮擋。3）保證測量基準轉換次數最小。每進行一次基準的轉換都會損失裝調精度，因此在裝調過程中盡量減少基準轉換次數。在裝調70 m反射體時只轉換了一次基準，即在反射體吊裝之后，將背架及面板的安裝基準轉至換饋機構上。

70 m 天線主反射面的調整精度最終達到了0.2 mm的設計要求。同時，因現場采用了合理的工藝及檢測方法，70 m天線反射體的地面拼裝時間大大縮短，相比其他大型天線動輒數年的安裝周期，其安裝效率得以明顯提高。

3 結束語

因體積大、重量重、裝配精度高等原因，大型天線反射體的現場安裝尤為困難，只有結合現場實際情況，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天線反射體的結構形式，闡述了安裝工藝及其優(yōu)點，分析了大型天線反射體裝配過程中的2個關鍵點（定位及測量工裝在大型球節(jié)點式桁架結構反射體安裝過程中的實際應用；測量基準選取及轉換的方法和一般原則）。這些研究及應用實例對大型天線反射體的現場安裝具有實際的指導意義。