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        基于解析幾何理論的FAST 形狀特殊位置理想拋物面預測

        2022-09-02 08:36:56裴智明靳謙誠
        科技創(chuàng)新與生產力 2022年7期
        關鍵詞:主索拋物面反射面

        張 迪,裴智明,靳謙誠

        (太原理工大學機械與運載工程學院,山西 太原 030024)

        FAST 主要由主動反射面、饋源艙及控制、測量和支承系統(tǒng)組成。主動反射面由主索網、反射面板、下拉索、促動器及支承結構等構成可調節(jié)球面。主索網以三角網格用主索節(jié)點構成,三角板上安裝反射面板,主索節(jié)點連接單根下拉索,下拉索與促動器連接,通過促動器拖動下拉索下的節(jié)點,用以控制反射面的形狀。饋源艙以機電一體化平臺支撐和Stewart 系統(tǒng)裝置調節(jié)[1-2]。本文經過數學分析和科學建模,基于FAST 最佳接收比,主動反射面的形狀調節(jié)問題,通過建立空間理想拋物面的幾何模型、促動器調節(jié)下的關聯(lián)理論以及采用非線性規(guī)劃策略和尋優(yōu)算法,對2226 個主索節(jié)點進行簡化與規(guī)劃,對FAST 實現(xiàn)自主反射面變形的網面調整策略模型,分析了基于費馬原理三維空間光線反射的饋源艙接收比,實現(xiàn)了FAST 自動控面的相關工作要求。

        本文總體思路是在促動器調節(jié)的約束下,帶動下拉索和主索節(jié)點的運動,找到理想拋物面后,調整促動器的伸縮量,將反射面變形為主反射面,且盡量貼近理想拋物面,以使天體電磁波經反射后饋源艙的接收效果最好。

        1 數據預處理

        為了使主反射面板能夠完美反射,本文選取天體位置在最特殊情況下,即:α=0°,β=90°時(天體的方位以α,β 量化描述),需給出在滿足主反射面板調節(jié)約束條件下的理想拋物面位置,即相應形狀[3-4],指導以促進器為主的主索節(jié)點調節(jié)方式。滿足調節(jié)因素的影響有以下5 個方面。

        1) 主索節(jié)點調節(jié)后,任意相鄰節(jié)點的距離必然會發(fā)生變化,為了滿足各方面要求,考慮到應力、變形以及材料的力學性能等各方面因素,需要限制任意相鄰兩節(jié)點的變化不超過0.07%。

        2) 根據題目要求和相關資料顯示,下拉索用于主索節(jié)點和促動器的連接,故其長度不會發(fā)生變化,且規(guī)定了促動器的伸縮范圍為-0.6 m~+0.6 m。

        根據給出的所有主索節(jié)點的坐標,均以基準面球心C(0,0,0) 作為坐標原點,再有A0(0,0,-300.4) 為最低的主索節(jié)點的位置坐標。

        3) 基準球面和拋物線面的口徑相同均為300 m。

        4) 每塊反射三角形面板均為基準球面的一部分,根據相關資料顯示,反射面板上開有小圓孔(直徑d<5 mm) 用以漏雨水。由于孔徑小,幾乎不影響電磁波反射,因此在模型分析建立與求解時設定其面板無孔。

        5) 在基準態(tài)基準面上,所有的主索節(jié)點將在基準球面上,考慮到主索節(jié)點的點徑遠小于三角反射面板的尺寸,因此可以設定反射面的頂點即為主索節(jié)點,經相關分析演算,差值偏移率遠遠小于0.000001 26%。

        2 建立FAST 基于解析幾何理論的特殊位置時理想拋物面的優(yōu)化變形幾何模型

        由于饋源艙中心P 只能在與基準球面同心的焦面上運動,因此,P 位于被測天體與基準球面中心連線SC 和焦面的交點位置,而理想拋物面可以看作拋物線繞其公轉軸旋轉而形成。根據相關拋物線知識可知:P 點即為其焦點。而SC 和基準球面的交點O 是形成該旋轉拋物面的拋物線頂點。

        球面和拋物面都具有各向同性的特點,因此在建立相關分析模型時,可將特殊位置的幾何形狀模型簡化到二維空間進行描述:可用圓弧代替球面,用拋物線代替拋物面[5-6]。

        其中要求球面與拋物面口徑相同均為R=300 m。

        3 基于解析幾何理論的特殊位置理想拋物面的優(yōu)化變形幾何模型的求解結果策略最優(yōu)選擇

        根據資料顯示可以建立三種策略模型,分別為標準式、下偏式以及查閱式,在此進行模型建立和比較。

        1) 標準式:當最低點的偏移距離h=0 m 時,按照題目要求F=0.466R 時,利用拋物線和旋轉拋物面相關理論,利用MATLAB 工具得出理想拋物面的幾何解析表達式為

        以標準式方程分析,可做出空間內三維理想拋物面,其口徑為300 m,最低點與基準球面相重合一點。為了更加清晰直觀的觀測理想拋物面與基準面的相互位置關系,利用MATLAB 工具可做出三維空間的FAST 理想拋物面與基準球面位置圖,見圖1。

        圖1 標準式下的理想拋物面與基準球面嵌套的形狀和位置

        2) 下偏式:當最低點的偏移距離h=-0.2 m時,按照題目要求F=0.466R 時,利用拋物線和旋轉拋物面相關理論,利用MATLAB 工具得出理想拋物面的幾何解析表達式為

        以標準式方程分析,可做出空間內三維理想拋物面見圖2,其口徑為300 m,最低點與基準球面相差h=-0.2 m。

        圖2 下偏式下的理想拋物面的形狀和位置

        3) 查閱式:當最低點的偏移距離h=0 m 時,按照查閱相關資料顯示,要求F=0.4665R 時,利用拋物線和旋轉拋物面相關理論,利用MATLAB 工具得出理想拋物面的幾何解析表達式為

        以標準式方程分析,可做出空間內三維理想拋物面見圖3,其口徑為300 m,最低點與基準球面相差h=0 m。

        圖3 查閱式下的理想拋物面的形狀和位置

        4 變形幾何模型的模型結果檢驗及模型相關結論

        根據模型分析可知,模型的最終結果要滿足調節(jié)因素的約束條件,經檢驗下偏式和查閱式的促動器近似調節(jié)量見表1。

        表1 下偏式和查閱式的促動器調節(jié)量的范圍值(m)

        根據基于解析幾何理論的特殊位置建立的理想拋物面的優(yōu)化變形幾何模型及其模型分析,反射面變形從直觀上可以得知,其邊緣處與基準圓面的光滑性越好,則調節(jié)難度越小,精度越大。反之,在銜接處會出現(xiàn)較大的拉壓載荷,造成較大的應力,使得工作過程極其容易出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。對連接的光滑性和工作強度以及疲勞性等影響因子進行綜合考慮,在實際調節(jié)過程中就必須滿足一定的約束條件才能使FAST 真正高效地運行。

        因此,根據該模型可以得出以下基本結論。

        一是下偏式類型的理想拋物面促動器的工作行程是最小的,為區(qū)間[0.0143,0.5377]且符合調節(jié)的范圍。二是下偏式類型的理想拋物面節(jié)點總位移較小,使得基準球面和調節(jié)面板鋼索的應力較小,有較好的抗疲勞性。三是下偏式類型的理想拋物面與基準球面的過渡相對平滑。

        5 結束語

        FAST 作為目前落成的最高效和功能最齊全的設備,在模型建立時更大程度地考慮到實際情況和目前研究的最新成果,對相關理論的建立給出了較為詳細的理論推導和詳細證明,使得結果更加完整可靠。在利用非線性規(guī)劃確定實際促動器工作策略時,考慮到多變量最簡便有效的規(guī)劃算法,在相互關聯(lián)多變量約束的條件下,且有非線性函數時,非線性規(guī)劃優(yōu)點已經很好的顯現(xiàn)。然而考慮到模型的數據空間較大,在未輸入相關限制時,隨著搜索和運行的不斷深入,計算量將會增大,因此,采用分階段的方法進行逐步尋優(yōu),最終計算結果將十分逼近最優(yōu)值,但仍有一定偏差。后續(xù)研究,需要深入FAST 的實際工作進程,以科學客觀的角度將理論模型與實際工作狀態(tài)相結合,充分考慮實際工作狀態(tài)下的情況,以建立更為實用和可行的科學模型。

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