Способ термостабилизации параболической антенны и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к системе термостабилизации прецизионных конструкций, в частности к параболическим антеннам. Техническим результатом является повышение эффективности термостабилизации рефлектора параболической антенны с каркасом, выполненным с радиальным расположением элементов жесткости. Сущность изобретения: радиально расположенные элементы жесткости выполнены воздухонепроницаемыми с образованием воздушных каналов в виде секторов, закрытых металлическим листом. Между листом и термоизолирующим чехлом, установленным на каркасе, имеется вспомогательная полость, соединенная с полостью для продува воздуха по краю рефлектора и в центральной части. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к системам термостабилизации прецизионных конструкций, а точнее параболических антенн.

Известен "Чехол для спутниковой параболической антенны" (ВНИИПИ. Изобретения стран мира. Тематическая подборка. Выпуск 106. 4. Москва, 1997 г. Волноводы, резисторы, антенны. Стр. 15, 06.06.95, 466292).

Упомянутое устройство содержит не менее трех секций из растягивающейся синтетической ткани. Соединение секций выполнено по кромкам с образованием прямых линий и объемной полостной структуры. Ткань натягивают.

Устройство предназначено для защиты параболической антенны от воздействия неблагоприятных климатических условий (дождя, снега, пыльных ветров).

Недостаток этого устройства заключается в ограниченности его функциональных возможностей в части термостабилизации антенны, так как оно не позволяет эффективно применить на нем активные средства термостабилизации (вентилятор, электронагреватель) из-за отсутствия в нем воздушных каналов для циркуляции воздуха.

Известно также "Противообледенительное устройство для радиолокационной системы" (Изобретения стран мира. Реферативный журнал. Выпуск 106. N 8. Москва, 1993 г. Волноводы, резонаторы, антенны. Стр.10).

Устройство состоит из пучка проводов, расположенных на экране, помещенном перед раскрывом антенны, и соединенных комбинированным последовательно-параллельным соединением с ответвительными зажимами источника питания таким образом, что через каждый и них проходит ток нагрева. Эта система обеспечивает двойной защитный эффект: от противовоздействия ЭДС индукции (например, ядерного электромагнитного импульса) и от обледенения антенны.

Недостаток данного аналога заключается в том, что электронагреватель не обеспечивает термостабилизирующего воздействия на конструкцию антенны в целом, так как в нем отсутствуют соответствующие конвективные тепловые связи между отдельными элементами.

В качестве прототипа выбрана термостабилизирующая система параболической антенны японского радиотелескопа (Академия наук Латвийской ССР. Радиоастрофизическая обсерватория. В.С. Поляк, Э.Я. Бервалдс. Прецизионные конструкции зеркальных радиотелескопов. Опыт создания, проблемы анализа и синтеза. Рига: Знание, 1991 г., стр. 135-137, Рис.3.49).

Прототип содержит рефлектор (отражательный щит зеркала), закрепленный на ферме (каркасе), теплоизолирующий кожух, образующий воздушную полость, в которой расположен каркас, вентилятор, температурные датчики. Устройство предназначено для термостабилизации рефлектора и каркаса в переменных климатических условиях.

Устройство-прототип работает следующим образом. При воздействии на антенну различных климатических факторов, когда увеличивается градиент температуры по каркасу в радиальном направлении, например приближается к крайним значениям диапазона ±0,5 ^oС/м, в работу включается вентилятор, при этом воздух, циркулирующий в замкнутой воздушной полости, выравнивает температурное поле каркаса. Недостаток работы данного устройства в том, что оно не обеспечивает в достаточной степени равномерность тепловой связи различных участков конструкции путем обдува их воздушным потоком. Вблизи вентилятора участки конструкции обдуваются воздухом с большей скоростью, чем удаленные от него, и поэтому температура первых обеспечивается значительно ближе к осредненной температуре воздуха по сравнению с температурой удаленных участков. При этом коэффициенты теплоотдачи между потоком воздуха и обдуваемыми участками поверхностей существенно отличаются друг от друга (уменьшаются по направлению движения потока с одновременным уменьшением перепада температур воздуха и обдуваемых поверхностей), что приводит к снижению эффективности термостабилизации, устройством-прототипом обеспечивается недостаточно.

Цель предлагаемого решения - повышение эффективности термостабилизации рефлектора параболической антенны с каркасом, выполненным с радиальным расположением элементов жесткости.

Поставленная цель достигнута за счет того, что: 1. Обдув рефлектора и каркаса осуществляют с увеличением скорости воздушного потока по направлению его движения, которое создают от краев рефлектора к его центру.

2. Осуществляют выравнивание температуры воздушного потока, обдувающего рефлектор и каркас, путем создания тепловой связи с воздушным потоком перед ними, который организуют противоточным первому.

3. Термостабилизирующий воздушный поток, обдувающий рефлектор и каркас, разделяют на ряд равномерно распределенных потоков.

4. Радиально расположенные элементы жесткости выполнены воздухонепроницаемыми и с образованием воздушных каналов в виде секторов, при этом полость для продува воздуха разделена металлическим листом с высоким коэффициентом теплопроводности на термостабилизирующую полость с упомянутыми каналами в виде секторов и вспомогательную полость между теплоизолирующим чехлом и упомянутым металлическим листом, причем эти полости соединены по краю рефлектора, а также в его центральной части с помощью введенной трубы, в которой установлен вентилятор с подачей воздуха из термостабилизирующей полости во вспомогательную полость.

5. Радиальные элементы жесткости каркаса выполнены воздухонепроницаемыми и с образованием воздушных каналов в виде секторов.

6. В трубе на выходе вентилятора установлен электронагреватель.

7. В трубе установлен дополнительный вентилятор последовательно с основным.

Термостабилизация антенны, осуществленная таким образом, позволила более равномерно обеспечить сближение температуры по элементам конструкции вдоль потока и по окружностям за счет нарастания скорости обдувающего воздуха в направлении движения, а также выравнивания температуры термостатирующего потока путем тепловой связи с потоком, поступающим для термостатирования конструкции, и тем самым уменьшить температурные градиенты.

Дополнительно эффект термостабилизации антенны повышен за счет возможности подогрева циркулирующего воздуха с помощью электронагревателя, а также за счет возможности увеличивать расход воздуха путем одновременного включения в работу дополнительного вентилятора. Организация движения воздуха по каналам, выполненным в виде секторов, позволила обеспечить одинаковые расходы и скорости его движения в идентичных их проходных сечениях, что также поспособствовало выравниванию температурного поля по антенне.

Повышение эффективности предложенных способа и устройства не только позволило обеспечить требуемое термостатирование антенны, но и использовать его в качестве противообледенительного устройства в случае, когда идет мокрый снег при температуре окружающей среды, близкой к 0^oС.

Среди информационных материалов по данному классу техники, а также среди известных устройств данного типа авторами не обнаружены устройства термостабилизации параболической антенны с подобными существенными признаками, как у заявленного объекта.

Предлагаемое изобретение показано на фиг.1 и на фиг.2 (схема функциональных связей). В состав термостабилизирующей системы параболической антенны с рефлектором 1, закрепленным на каркасе, выполненном в виде радиально расположенных элементов жесткости 2, входят теплоизолирующий чехол 3, температурные датчики 4, основной 5 и резервный 6 вентиляторы, электронагреватель 7, блок управления 8.

Термоизолирующий чехол 3 установлен на каркасе с образованием термостатирующей полости (в которой осуществляется обдув рефлектора и каркаса) 9 и вспомогательной 10, которые разделены металлическим листом 13 с высоким коэффициентом теплопроводности и которые соединены между собой по краю рефлектора 1, а также в его центральной части с помощью введенной трубы 11, в которой установлен основной 5 и дополнительный 6 вентиляторы, после которых также установлен электрообогреватель 7. Радиально расположенные элементы жесткости 2 каркаса выполнены воздухонепроницаемыми с образованием воздушных каналов 12 в виде секторов.

Термостабилизирующая система для осуществления предложенного способа работает следующим образом. В различных климатических условиях эксплуатации антенны (при освещении антенны ярким солнцем или когда дует холодный ветер, или падает мокрый снег) напряжения с температурных датчиков 4 поступают в блок управления 8. Если температурные градиенты рефлектора 1 и каркаса равны или близки к максимально заданному для обеспечения значению, например ±0,3 ^oС/м, то блок управления 8 включает в работу основной вентилятор 5, который обеспечивает циркуляцию воздуха по замкнутому воздушному контуру в последовательности: труба 11, вспомогательная воздушная полость 10, воздушные каналы 12, выполненные в виде секторов в термостабилизирующей полости 9 (направления воздуха в каналах 12 показаны стрелками), труба 11. Вентилятор 5, закручивая воздушный поток, выравнивает его температуру. Кроме того, выравнивание температуры термостабилизирующего потока воздуха в полости 9 осуществляется потоком в полости 10 через металлический лист 13, так как крайние участки одного потока с минимальной температурой взаимодействуют в тепловом отношении с крайними участками другого потока с максимальными температурами.

Циркулирующий воздух по каналам 12 термостабилизирует рефлектор 1 и каркас (выравнивает их температурное поле, другими словами - уменьшает их температурные градиенты). Так как каналы 12 выполнены в виде секторов, а направление движения воздуха по ним обеспечивается от их более широких проходных сечений к менее узким, то скорость обдува поверхностей рефлектора 1 и каркаса возрастает от входов каналов к их выходам, а значит, и возрастает коэффициент теплоотдачи между воздухом и обдуваемыми поверхностями. Это позволяет обеспечить более равномерные температурные градиенты по конструкции в направлении движения потока, так как при этом изменение температуры конструкции в названном направлении становится практически линейным (а не криволинейным, как в случае, например, термостатирования потоком теплоносителя трубы одного и того же проходного сечения). Таким образом, термостабилизация рефлектора 1 и каркаса циркуляцией воздуха по каналам 12, выполненных в виде секторов с указанным направлением, обеспечивается с меньшими температурными градиентами по сравнению с любыми другими известными схемами организации циркуляции воздуха и характеризует предложенную систему как с повышенной эффективностью термостабилизации.

Эффективность работы предложенного решения соответственно повышается при увеличении расхода воздуха и при нагреве его в трубе 11, для чего установлены дополнительный вентилятор 6 и электрообогреватель 7, которые включаются при необходимости, например для исключения обледенения рефлектора 1, когда идет мокрый снег при температуре окружающей среды, близкой к 0^oС. Функциональная связь вентиляторов и электронагревателя с температурными датчиками через блок управления показана на фиг.2.

Выполнение каналов 12 с использованием перегородок 2 между ними в виде воздухонепроницаемых элементов жесткости каркаса позволило обеспечить одинаковые расходы воздуха в их идентичных проходных сечениях и тем самым дополнительно повысить эффективность термостабилизации антенны.

Предложенное техническое решение рассмотрено на уровне предприятия и признано перспективным для применения в разработках антенн нового поколения.

Формула изобретения

1. Способ термостабилизации параболической антенны, включающий термостабилизирующий обдув воздухом рефлектора и каркаса в воздушной полости под термоизолирующим чехлом, отличающийся тем, что обдув рефлектора и каркаса осуществляют с увеличением скорости воздушного потока по направлению его движения, которое создают от краев рефлектора к его центру.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют выравнивание температуры воздушного потока, обдувающего рефлектор и каркас, путем создания тепловой связи с воздушным потоком перед ними, который организуют противоточным первому.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что термостабилизирующий воздушный поток, обдувающий рефлектор и каркас, разделяют на ряд равномерно распределенных потоков.

4. Термостабилизирующая система параболической антенны, каркас рефлектора которой выполнен с радиально расположенными элементами жесткости, содержащая теплоизолирующий чехол, установленный на каркасе с образованием полости для продува воздуха, в которой установлены температурные датчики, вентилятор, блок управления, отличающаяся тем, что радиально расположенные элементы жесткости выполнены воздухонепроницаемыми и с образованием воздушных каналов в виде секторов, при этом полость для продува воздуха разделена металлическим листом с высоким коэффициентом теплопроводности на термостабилизирующую полость с упомянутыми каналами в виде секторов и вспомогательную полость между теплоизолирующим чехлом и упомянутым металлическим листом, причем эти полости соединены по краю рефлектора, а также в его центральной части с помощью вновь введенной трубы, в которой установлен вентилятор с подачей воздуха из термостабилизирующей полости во вспомогательную полость.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в трубе на выходе из вентилятора установлен введенный электронагреватель.

6. Устройство по п. 4 или 5, отличающееся тем, что в трубе последовательно с вентилятором установлен введенный дополнительный вентилятор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2