70 m大型射电望远镜天线座的安装与调整*

阎宏涛，贺新刚，张洁钰，唐亮亮

（1. 中国电子科技集团公司第三十九研究所，陕西 西安 710065；2. 陕西省天线与控制技术重点实验室，陕西 西安 710065）

引 言

“天问一号”与地球相距4亿公里之遥，为保障探测信号的接收[1]，中国科学院国家天文台建设了70 m天线（亚洲最大的单口径全可动天线）高性能接收系统，它是完成火星探测器科学数据接收任务的关键设备[2]。

70 m射电望远镜天线为轮轨式天线，总高72 m。天线座是整个天线反射体的承载机构，主要由天线座架与俯仰框架组成[3]。天线座架负责天线方位的转动，俯仰框架负责天线俯仰的转动。整个天线座尺寸为36 m（长）×30 m（宽）×38 m（高），总质量达1 500 t。国外的Effelsberg、SRT等射电望远镜的天线座架的安装均为搭积木式的逐步拼装，效率低；国内的66 m射电望远镜俯仰框架则为地面倒立拼装为整体、吊装后空中翻转，危险性较大；70 m射电望远镜天线座架则采用地面拼装为单元后进行吊装，俯仰框架的拼装分俯仰框架十字、俯仰扇齿组合地面并行拼装，再拼装为整体进行吊装，可提高现场的施工效率，缩短安装周期，节约安装成本，保证施工安全。

天线座结构复杂，施工难度大，只有提前策划才能保证各轴系的精度，如方位轴与俯仰轴的正交、两俯仰轴的同轴度、天线反射体轴线与方位轴的同轴与俯仰轴的正交。只有满足了这些技术指标才能保证天线的指向跟踪精度，完成信号的传输[4]。

1 天线座架的安装与调整

70 m射电望远镜主要由基础、轨道与滚轮、天线座、天线反射体、馈源等结构组成，如图1所示。

图1 70 m射电望远镜天线

天线座架总质量为642 t，下端与滚轮组合相连，上端连接着俯仰框架。作为天线方位转动承载的主要构件，装配过程中一层框架的4个节点要保证与滚轮组合连接的准确性，三层框架要保证顶端俯仰框架安装面的等高性、跨距和对称度，进而保证俯仰框架的准确安装。一层框架安装之前，轨道与滚轮安装阶段已经定好天线的安装基准为方位轴（方位轴轴线）与水平面（轨道面），后期的安装需统一基准。天线座架为分块安装，因此各单元均属常规吊装。主吊车选用150 t级履带吊，围绕轨道进行吊装。

1.1 一层框架

一层框架在安装过程中的重点是保证四角节点滚轮组合安装圆盘的连线穿过方位轴且自身高差不超过1 mm，相互高差不大于2 mm，4条连线分布角度对称，这样才能保证与滚轮组合的准确安装。整个一层框架的外形误差不得大于5 mm，否则会给二层框架的安装造成困难，见图2。

图2 一层框架

一层框架的安装方案如下：

1）将中心节点吊装到位。将激光跟踪仪架设于轨道与方位轴之间，且高度大于中心节点。建立坐标系后均匀采集轨道面上8个点，定出高度基准，再监测调整中心节点至指定高度，误差不大于±0.5 mm，此时的中心节点需进一步利用合像水平仪调整至水平10′′。现场利用工装转动中心节点，每25°进行一次测量，调整方位轴预埋螺栓的连接螺母，反复调整至设计要求[5-7]。

2）按照滚轮组合安装位置确定座架的装配方向。利用桥板将全站仪架设于中心节点，以中心节点为基准安装内部4根斜梁的分布角度至30′′以内，并调整至等高。

3）安装四角节点，利用全站仪检测将其调整至等高，同时兼顾整个外形框架的尺寸。利用跟踪仪采集中心节点的圆，拟合出方位轴线。利用斜梁确定方向，调整内侧圆盘轴线与方位轴的距离，使圆盘轴线与梁中心线重合，继续调整第2个圆盘的位置，保证两圆盘的中心距为(1 200±0.5)mm且中心连线通过方位轴。为了保证滚轮组合的连接孔位，还需调整圆盘自身的姿态，保证连接孔在一条线上。

4）主要的接口梁与节点安装完成后，外框梁的安装只需调整其等高性与直线度顺势装入到位即可。

1.2 二层框架

二层框架的梁与节点数目众多，且具有互换性。安装过程中主要的技术指标是保证两侧梁单元大面的垂直度、二层梁面的水平度和关于方位轴的对称度，调整到5 mm以内即可，见图3。

图3 二层框架

1）为避免过大的空中工作量，可在地面将二层梁结构分割为小单元进行拼装，最后再整体吊装。以两侧面梁单元为例，在地面进行放样，再逐个将梁装入，拼装时利用电子水准仪进行调平，利用工装固定好与一层节点连接的各梁口之间的跨距。整个侧面质量为60 t，需要用两台150 t级以上的吊车进行抬吊。为保证两侧面梁单元与一层框架的垂直度，利用重锤加全站仪进行调整，调整到位后用钢丝绳进行固定。

2）内侧斜梁长且重，对于悬臂的长梁，如果没有支撑变形将会很大，必须提前装入。因此，将内侧斜梁与节点、小横梁组装为小单元，这样可以保证斜梁生根，保证了安装位置。

3）二层其他梁的安装与焊接需要脚手架的配合。在斜梁组合吊装完后可以进行脚手架的搭建，为二层其他梁的安装提供作业平台。利用电子水准仪进行检测，依次装入各梁即可。

1.3 三层框架

三层框架顶部节点连接着俯仰轴承座（图4），为天线俯仰传动的关键接口。为了使俯仰框架能够准确装入，需在三层框架安装阶段调整顶部两节点，直至满足如下要求：1）跨距L=±2.5 mm；2）关于方位轴左右对称度小于2.5 mm；3）关于方位轴前后对称度小于2.5 mm；4）自身大面的水平度小于2 mm；5）两侧面与二层框架的垂直度小于5 mm。

图4 三层框架

如此多的空间尺寸指标需要精确的检测仪器（激光跟踪仪）与大型调整工具（100 t液压千斤顶）配合着调整工装才能完成。此时的方位轴是在一层框架，需要利用激光跟踪仪的转站功能移至二层。调整内侧斜梁可以调整跨距、对称度与二层梁的垂直度，调整两侧两斜梁可以调整前后对称度与自身的水平度，调整至满足要求后用螺栓连接进行固定。

两俯仰轴承座的连接面需要满足等高性小于0.3 mm和自身水平度小于0.1 mm的要求，对于如此大的空间焊接结构，这是不可能完成的。因此，需要实测两连接面的实际高度和自身高差，增加过渡件，根据实测尺寸加工过渡件的连接面才能保证。而两俯仰轴承座的跨距需要进一步根据实测的两俯仰框架的跨距进行调整，两者偏差小于±0.25 mm时俯仰框架才能顺利装入。

2 俯仰框架的安装与调整

俯仰框架负责天线的俯仰传动，由俯仰框架十字、俯仰扇齿组合等结构组成，现场拼装工作量大。为了节约现场安装周期，俯仰框架十字与俯仰扇齿组合分别拼装，待拼装完成、焊接结束后，再将俯仰框架十字吊装至俯仰扇齿组合组成俯仰框架。然后将俯仰框架整体吊装至天线座架，最后再安装配重、伞形支撑等其他部件[8]。

在地面进行分别拼装时，各结构件重量小、吊装半径小，因此选用常规的80 t/120 t汽车吊进行吊装。俯仰框架十字的质量为220 t，整个俯仰框架的质量为485 t，根据核算采用2 000 t级履带吊进行整体吊装。吊装时需选用专业吊具并设计特制吊耳，根据吊装过程及变形分析确定吊点位置及吊点数。结构设计阶段对吊点位置进行加强，以防整体吊装时结构变形过大导致不可逆的变形从而影响安装。

2.1 俯仰框架十字

俯仰框架十字如图5所示，其左右两端的俯仰轴组合是整个结构拼装的重点，需保证同轴度为Φ0.50 mm，十字方向垂直度小于50′′，各梁上表面平面度不大于±2.5 mm。

图5 俯仰框架十字

俯仰框架十字的拼装方案为：利用中间节点架设仪器建立安装基准。先进行内框梁的拼装，固定好相对位置，为外框梁的拼装建立基准，再拼装十字方向梁和外框梁，最后进行整体焊接。整个过程中采用跟踪仪监测调整同轴度和垂直度，采用电子水准仪调整大面的水平度。

俯仰轴方向长度L轴由5段梁组成，各梁的制作均存在误差，拼装时接缝有大有小，整个结构的拘束度也不尽相同，因此在同轴度调整到位后需准确分析和预估焊接变形，制定合理的焊接工艺并增加焊接工装，且在焊接过程中利用激光跟踪仪定期检测，发现同轴度有超过0.2 mm的变形后，根据变形方向及时调整焊接工艺，控制变形。最终得以完成俯仰框架十字的拼装，拼装结果的同轴度为Φ0.46 mm，垂直度为90°0′25′′，满足设计要求。

2.2 俯仰扇齿组合

俯仰扇齿组合中环形梁的圆度R环形梁以及环形梁与三角斜梁的垂直度是天线准确俯仰运动的基础，开放式的梁口跨距L梁口1、L梁口2和L梁口3需根据俯仰框架十字的跨距进行匹配调整，只有这些指标都符合要求才能准确安装，见图6。

图6 俯仰扇齿组合

俯仰扇齿组合的拼装方案为：先将环形梁拼装成半圆，将激光跟踪仪置于外侧，检测、调整环形梁半径R环形梁和张口跨距L，将其调整至5 mm以内。再将内侧梁组合拼装成整体后与环形梁相连。然后将俯仰扇齿组合分两半立于支撑工装上。最后在工装上安装三角斜梁，根据俯仰框架十字底部与三角斜梁相连梁口的跨距调整[9]三角斜梁与齿弧的垂直度，再安装其他梁。

俯仰框架地面支撑工装如图7所示，除了十字两头用到的支撑立柱，还有底部的支撑工装。每个工装都有调节功能，保证结构各点都能调整到位。地面需做专业设计。

图7 俯仰框架地面支撑工装

2.3 俯仰框架

图8 俯仰框架装入天线座架

2.4 结束语

70 m射电望远镜天线座结构尺寸大、重量大，在发往现场之前都是零散的梁与节点，整个安装过程复杂。现场安装时，提前策划安装方案，将天线座架拆分为小单元先在地面进行拼装，再进行单元吊装，减少了空中的施工量；将俯仰框架拆分为俯仰框架十字与俯仰扇齿组合在地面并行拼装，使现场的拼装效率翻倍；待2 000 t履带吊进场后在较短的时间内完成整个俯仰框架的吊装，节省了成本。

天线座安装过程中，通过多种检测仪器的配合，使天线座架与滚轮组合准确安装，保证了天线座的方位转动。两俯仰轴承座跨距为36 m，经激光跟踪仪在同等环境下的测量，最终将L轴承与L轴承座的偏差调整到0.35 mm，使俯仰框架准确装入天线座架，实现俯仰转动，为天线反射体的安装打下基础。

70 m射电望远镜天线座改变以往的安装方法，根据安装周期与现有的吊装资源，将天线座的安装化繁为简，提高了安装效率，保证了安装精度，为今后大型天线座的安装提供了安装经验。