Расчет облегченной конструкции параболического зеркала. Большая энциклопедия нефти и газа

Почему используют параболическую форму? Когда трехмерная парабола (то есть параболоид) направлена на солнце, весь свет, который падает на ее поверхность зеркально отражается в точку, известной как фокус. Если черный горшок для приготовления пищи находится в фокусе, он будет поглощать энергию света и становиться очень горячим. Спутниковая антенна является примером параболоида, из которого можно сделать плиту. Параболические солнечные плиты быстро нагреваются и используются как стандартная плита для жарки в небольшом количестве масла или кипячения воды и даже приготовления хлеба. Они могут также использоваться для выработки пара, энергии для двигателей стерлинга, расщепления воды для получения газа H 2 , и даже плазмы. В сегодняшнем мире легко увидеть, что эта форма успешна в использовании. Параболическая форма можно встретить в спутниковых антеннах, радио-башнях, и даже в солнечных плитах по всему миру. Достаточно просто сказать, что она работает, и также просто понять, как она работает.

Форма параболы. Эта схема показывает уникальные свойства параболы. Focus – Фокус

_______________________________________________

Студент HSU прикрепляющий алюминий к тарелке. Как построить параболическую плиту Один из самых простых вариантов для параболической солнечной печи можно найти в тысячах задних дворов по всей территории Соединенных Штатов — спутниковые антенны, с большим С-диапазоном до малой цифровой тарелки. Что происходит с этими реликвиями, как только от них отказываются? Они большие и неуклюжие и их не так легко переработать. Строительство собственной солнечной печи является хорошим способом повторного использования этих параболическообразных приборов при одновременном сокращении отходов на свалках. Как только вы решили построить свою параболическую солнечную печь, важно найти антенну, которая будет вогнута насколько это возможно, чтобы иметь доступную точку фокуса для приготовления в ней. Затем измерьте вашу тарелку и найдите фокус. Если у вас спутниковая тарелка с приемником / антенна еще соединены, то это и есть местоположения фокуса антенны. Однако, если вы получаете тарелку без него, вам придется применить несколько простых вычислений. Используйте пример задачи ниже. Фокус также может быть найден путем прямого наблюдения, после чего у вас будет проведена линия антенны с отражающим материалом. Удерживайте кусок картона близко к центру тарелки, затем переместить его вверх и вниз по направлению к солнцу и обратно. Появится круг света в нижней части картона. Когда круг маленький, положение фокуса будет найдено. Самый популярный отражающий материал, используемый для тарелки, с зеркальной отделкой, анодированный алюминиевый лист. Его разрезают на узкие треугольные грани не шире десяти дюймов и заклепывают к тарелке. Поставщика листа металла можно попробывать найти в соответствующих компаниях в Интернете или в телефонной книге. Крепления могут быть найдены в хозяйственном магазине.

Студенты HSU используют ножницы Беверли для разрезания алюминиевых листов на треугольные грани.

Подставка горшка на тарелке из нержавеющей 6 — дюймовой стали, прикрепленна к куску трубы, проходящий через центр антенны. Штатив горшка, расположенный в фокус, может быть сделан с использованием 12 дюймового велосипедного обода, присоединенного кусками металлические трубки так, чтобы обод и горшок для приготовления можно было выровнять. Расположите решетку на кольце для поддержки горшка.

Помните, пока вы занимаетесь строительством вашей плиты, НИКОГДА НЕ СМОТРИТЕ ПРИСТАЛЬНО непосредственно вовнутрь плиты после установки там вашего отражающего материала. Всегда носите УЛЬРОФИОЛЕТОВЫЕ ТЕМНЫЕ СОЛНЦЕЗАЩИТНЫЕ ОЧКИ, КОГДА РАБОТАЕТЕ С ПЛИТОЙ!

________________________________________________

Кастрюля на карданном подвесе, изготовленном из 12 дюймового велосипедного кольца, присоединенного к металлической трубе.

Приготовленный за 30 мин коричневый рис на плите из параболической тарелки. Как рассчитать фокус Пример 1

Зеркало, имеющее форму параболоида вращения, будет использоваться для концентрирования солнечных лучей на фокусе, создавая источник тепла. Если зеркало 20 футов в поперечнике от краев и составляет 6 футов глубину, где будет сосредоточен источник тепла?

Решение:

Мы нарисуем параболу, используя для формирования тарелки на прямоугольной системе координат так, чтобы вершина параболы находилась в начале координат, а ее фокус располагался на оси у. Вид уравнения параболы Х = 4a y, ее фокус в точке (0, а). Пока точка (10, 6) является точкой графика, уравнение: 10 2 = 4 а (6) 100=24 а А = 100/24 ? 4.17 футов Источник тепла будет сконцентрирован на 4,17 футов от центр (вершина) антенны, в прямой линии по направлению к солнцу.

Когда вы строите вашу собственную параболическую плиту, важно, чтобы поставить штатив с горшком на фокус. Просто измерив длину и глубину вашей параболической формы.

Пример 2

Спутниковая тарелка имеет форму трехмерной параболы. Сигналы, которые исходят от поверхности спутниковой антенны, и нашли свое отражение в единственная точке, где находится приемник. (Когда солнечный свет попадает на зеркальную поверхность тарелки, она будет отражать в ту же точку. Туда, где должно будут располагаться кастрюли для солнечной кулинарии). Если антенна 8 футов в поперечнике и 3 фута глубиной в его центре то, на какой позиции должен быть размещен приемник? Решение: Мы рисуем параболу, используемую для формирования тарелки, на прямоугольной системе координат так, что вершина параболы находится в начале координат, а ее фокус лежит на оси y. Форма уравнение параболы: Х 2 = 4ay, и ее фокус в точке (0, а) Пока точка (4, 3) является точкой графика, уравнение: 4 2 = 4а (3) 16 = 12а а = 4/3 Приемник должен быть расположен в 1 футе от центра (вершины) антенны, вдоль прямой по направлению к солнцу.

Использование системы прямоугольных координат позволяет сделать изображение и определить математически, где должен быть расположен фокус для максимального использования. Материал подготовлен на основе перевода части файла .

Автор Опубликовано Автор Опубликовано Рубрики

Наш первый проект «Низкая стоимость солнечной печи». Для этого мы выбрали дымоход для печи доктора Стивена Э. Джонса. Пока наши эксперименты проводятся, мы выяснили, что укладка горшков работает лучше, чем их размещение бок о бок в дымоходе печи. Посмотреть эти результаты можно здесь. Таким образом, мы рассмотрели общий размер укладывающихся кастрюль для приготовления пищи диаметром до 6 дюймов и высотой 6 дюймов. Мы решили исправить данную конструкцию. Из чертежа мы остановились на точке стыка солнечного света, который отражается от края конуса (точка «х» на рисунке 1). Второй конус 90 0 был начат с этого уровня (ссылка для этого была взята из улучшения VITA, предложенного профессором Манном в (1981)). Длина секции конуса 90 0 была взята 6,25 дюйма. Основание было закрытым и сделано отражающим, так что любой солнечный свет, приходящий со стороны кастрюли, отражается обратно. Схема этого с отражением солнечного света показана на рис 2. Хорошо видна на графике концентрация солнечного света на кастрюлю. Данная печь полезна для автоматического приготовления пищи. Отражение солнечного света по отношению к положению Солнца за -60 минут до +60 минут показано на рисунке 3. Мы использовали давление плиты для приготовления пищи в сложенном положении с пластиковой крышкой. Открытый диаметр этой плиты составляет 24 дюйма. В основном это двухугловой дымоход плиты. Мы назвали его «Солнечная плита Парвати».

Рисунок 1

Рисунок 2

Солнечная печь Парвати состоит из трех разделов. Отражающая часть выполнена из картона. Также может быть использована нержавеющая листовая сталь, тогда она будет более долговечна. Мы построили два типа: а) кругового типа б) двенадцатистороннего типа. Конструкция кругового типа приведена здесь, а двенадцатистороннего вида представлена на другой странице.

Конструкция Солнечной плиты Парвати: (круговой тип) Круговая солнечная плита Парвати состоит из трех секций. Часть С формирует верхнюю секцию. Часть B формирует нижнюю секцию, а часть А составляет основу плиты. Как вырезать эти три части из одного листа картона, алюминия или нержавеющей листовой стали, показанной на рис 4. Подробные измерения для 24-дюймовой плита представлены на рис 5. Этот коллектор может собирать тепловой энергии эквивалентно примерно 300 Вт. Может быть использовано больше энергии для плит, диаметром 30, 36, 48 или выше. Для этих размеров коллекторов умножаются заданные размеры на 1,25, 1,5 или 2 соответственно. Часть С имеет полукруглую форму. Внешний радиус составляет 24 дюйма, а внутренний радиус равен 16 дюймам. Объединяем две конца этого полукруга, чтобы сформировать верхнюю часть конуса. Часть B имеет внешний радиус 12 дюймов, в следующий круг радиусом 11,3 дюйма и третий круг имеет радиус 4,8 дюйма. Часть B составляет части круга в 255 градусов. Объединяем два конца этой секции для формирования средней части конуса. Часть B имеет пространство для ее соединения с частью С. Часть А является основой структуры. Она изготовлена из окружности радиусом 4 дюйма. Существует еще один круг внутри с тем же центром. Его радиус составляет 3,6 дюйма. Это пространство необходимо для присоединения базы к части Б. Конструкция показана на рис. 6 Советы по конструкции: Маленькие V-образные разрезы должны быть сделаны в пространстве для соединения в частях В и А. Затем согните эти V- образные разрезы внутри. Это позволит легко объединить части вместе как это показано на рис 6. Для того чтобы структура была крепкой и прочной, мы вставили оберточную бумагу на внешнюю поверхность плиты. После вставки бумаги мы убеждаемся, что конструкция стала жесткой и не нуждается в поддержке. _
___________________________________________________________________________

Рис. 5 Part C – часть С
Part A – часть А
Part B – часть В
in — дюйм

Рис. 6 Маленькие V – образные вырезы, сделанные в пространстве для скрепления частей, позволит легче скрепить все секции вместе.

Три секции, вырезанные из картона

Соединение двух концов части С для формирования верхней секции конуса.

Соединение двух концов части В для формирования нижней части конуса

Соединение всех частей для формирования рефлектора.

Вставить алюминиевую фольгу или другой отражающий поверхность материал

Готовый рефлектор

Рефлектор, горшки для приготовления пищи, штатив и пластиковая крышка.

Использование солнечной плиты Парвати

Так как солнечной печь Парвати является модифицированной версией воронки плиты, она используется идентично. Мы взяли металлический стенд, чтобы расположить конический отражатель. Другой небольшой штатив используется для постановки горшков для приготовления пищи. Как уже говорилось ранее, мы используем три горшки уложенных вместе для приготовления пищи. Чтобы сохранить тепло используется пластиковое покрытие. Вместо прямого размещения пластиковой крышки используется небольшой металлический штатив и на него устанавливается пластиковый пакет. Это покрытие является достаточно большим, так что он не касается кухонных горшков. Расположение выбирается для фокусировки. Вместо того чтобы сфокусироваться на оси, мы создали простое расположение. На небольшой металлической пластине, прикрепленной к краю отражателя болтом с гайкой диаметром 1/4 дюйма и два дюйма длиной, фиксируется с помощью двух круглых шайб на двух концах. Когда плита правильно сфокусирована, тень верхней шайбы совпадает с шайбой на металлической пластине. Как показано на рисунке, фокусирование лучше регулировать положением таким образом, чтобы тень верхней шайбы была немного на запад, так что позаботитесь о слежение за Солнцем.

Фокусирование положения.

Во время фокусировки тень от верхней шайбы регулируется по направлению на запад.

Сложенные горшки для приготовления пищи.

Маленький штатив, расположенный на дне рефлектора.

_____________________________________________________________________

Сложенные горшки помещаются на штатив.

Пластиковое покрытие для создания парникового эффекта

Оставить для приготовления на 90 минут

Использование позиций сложенных горшков для приготовления пищи

Иногда бывает необходимо готовить сразу несколько блюд. Мы в Индии, как правило, готовим рис, карри, овощи и мясо — гриль. Мы успешно готовим в данной плите вареный рис, карри и овощи (картофель и цветную капусту). Время, затраченное на приготовление пищи, около 90 минут. Также может быть сделан хлебный пудинг. Готовя несколько блюд одновременно, мы размещаем рис в нижнюю кастрюлю, карри в средний горшок и овощи в верхний. Продукты питания, которым необходимо больше тепла и времени должны помещаться в средний горшок, там они приготовятся лучше.

Мы продаем солнечную печь Парвати диаметром 26 дюймов с изготовленным с вращающимся штативом из металла и анодированным отражателем. Цена внутри Индии 2500 рупий + 350 рупий за почтовые расходы в пределах Индии. Доступен полный размер. (Полный размер 24 сторонняя плита с диаметром 26 дюймов) Пожалуйста, присылайте ваши комментарии и вопросы. Контактная информация:
Г-жа Шобха Равиндра Пареши, D-13 Аранешвар парк, Сахакар Нагар, Парвати, Пуна Индия 411 009 (Mrs. Shobha Ravindra Pardeshi, D-13 Aranyeshwar Park, Sahakar Nagar, Parvati, Pune India Pin 411 009).

Автор Опубликовано Рубрики

Хотя здесь описывается концентратор не солнечного света, а звуковых волн, все равно задействовал этот материал, так как увидел в нем интересные моменты.

Ученый американец – ученый- любитель (это название журнала Scientific American- The Amateur Scientist)

Декабрь 1973 стр. 126

(коррекция статьи в феврале 1974)

Это конструкция для большого картонного параболического отражателя, который может быть использован для фокусировки звука на микрофон. Метод был представлен в журнале «Ученый Американец»» Алекс Макихерн и Пол Бун. Я построил версию программы в 1995 году и монтировали ее на основе моего собственного дизайна.

Первоначально единицы были в дюймах, но они могут быть переведены в любую другую единицу.

			R =	27
	Номер секции		N=	12
			f=	12
			a=	0.0208
	Основа треугольника		B=	17.37
		Y	Y1	Z	Vd	D
1
2
3

Этапы создания одной части параболоида. (54 дюймов в ширину с фокусным расстоянием 12 дюймов)

1. Нарисуйте равнобедренный треугольник с высотой 33,56 дюйма, а основанием 17,37 дюйма

2. Чтобы определить, насколько подрезать каждую сторону треугольника (пунктирные линии выше) и сделать линию подравнивания через следующие точки от каждого края:

на 3,05 дюйма вниз от вершины участка точки 0,01 дюйма от каждого края

на 6,02 дюйма вниз от вершины участка точки 0,05 см от каждого края

на 9,47 дюйма вниз от вершины участка точки 0,12 см от каждого края и т.д.

3. Продолжайте, пока не достигнете строки 9

4. Соедините эти нанесенные точки с прямым краем

5. Вырежьте часть по линии подравнивания и основания.

6. Используя первую часть в качестве шаблона, начертите еще 11 разделов и вырежьте их.

7. Построить параболоид можно путем склеивания краев секторов. Я использовал горячий клей.

Парабола

Автор Опубликовано Рубрики

Солнечная энергия (Solar Energy), том 22, стр. 463-465. Этот документ был ранее представлен на Национальной конвенции Солнечной энергии, которая состоялась в университете Джадавпур в Калькутте, в ноябре 1976 года.

М. Сринивасан, Л.В. Кулкарни и К.С. Пасурати

Отдел нейтронной физики, исследовательский атомный центр, Тромбее, Бомбей 500 085, Индия

(Получен 13 апреля 1978 года, пересмотр принят 16 ноября 1978)

Введение

Параболоидные концентраторы способны увеличивать высоту температур различных поглотителей и рабочих жидкостей. Максимально достижимые на практике коэффициент концентрации и температура зависят от размера диафрагмы (площадь перехвата солнечной радиации), отражательной способности и точности поверхности контура, а также степени, к которой приближается концентратор в истинной параболоидной геометрии. Параболоидные концентраторы используются для различных применений: от приготовления пищи и передвижение насоса, управляемого горячим воздухом для подъема воды до выработки энергии для космического корабля посредством управляемого парортутного электрического генератора. В последнее время преимущества различных типов соединения концентраторов без визуализации, которые собирают не только прямые лучи радиации, но и часть рассеянных элементов, описанных в литературе.

Считается, что параболоидные тарелочные отражатели требуют относительно сложных методов изготовления ротационной вытяжки, формовка пластика или «нажим штампа» . Практический и изящный способ изготовления простого и сложного параболоидного концентратора, начиная с плоского листа материала, описанного ниже.

Алюминизированный майлар (Aluminized Mylar, в словаре есть также перевод в виде значений искусственная пленка, пластмасса), который, как известно, очень хорошо отражает материал, в настоящее время широко доступен. Он наклеивается на подходящую поверхность, такую как картон, папье-маше, оловянное или оцинкованное железо или же тонкие листы алюминия, он может быть изготовлен для недорогих солнечных концентраторов.

Принцип изготовления

На рисунках 1 и 2 показан принцип построения параболоида, начиная от плоского листа материала. На рисунке 1 представлен график параболы Y = X 2 /4 f , представляющий вертикальное сечение через параболоид с фокусным расстоянием F см. Если параболоид разделен симметрично по длине на восемь радиальных направлений и расплющен, то он будет выглядеть, как восемь лепестков цветка, как на рис. 2. Незатененная часть на рисунке 2 представляет собой часть отражателя, а затененная — это та часть плоскости листа, которая должна быть вырезана и удалена. Круг окружности 2?R на плоскости листа будет занимать меньше окружности равной 2?X в параболоиде после изготовления. Таким образом, основное внимание при строительстве должно быть уделено вычислению длины дуги из материала, которая должна быть вырезана, а именно (2?R-2?X) в зависимости от R. Заметим, что радиальное расстояние R между истинной и любой другой точкой P на плоскости листа становится длина дуги контура параболы между истинной и той же точкой Р на поверхности параболоида.

Чтобы получить выражение для R в период X, используется следующая процедура:

dR — элемент параболической дуги, а dX и dY – соответствующие элементы по оси х и у (см. рис. 1).

(dR) = (dX) 2 + (dY) 2

Подставляем

Заменяем

Объединяем

С X 2 /4f 2 = (Y / ф) <1 для мелких параболоидов, члены более высокого порядка можно пренебречь в биномиальном разложение для 1/2 и у нас есть

Соотношение справедливо только для мелких параболоидов. Для глубоких параболоидов члены более высокого порядка не могут быть упущены. Используется результат стандартного интеграла, а именно:

Общее уравнение для R может быть показано, что дает

Общая длина материала, который должен быть вырезан при каждом значении R, то есть круговая усадка дает W = (2?R-2?X) = 2? (RX). Хотя для мелких параболоидов:

Получаем

На практике это усадка распространяется на 2N равных линейных отрезков, N — число лепестков. Длина отрезка, который должен быть вырезан, измеряется перпендикулярно к радиальным векторам с обеих сторон на расстоянии R от начала координат, и имеет вид (для мелких параболоидов)

Принцип изготовления параболоида

Рисунок 1 Сечение через параболоид.

Рисунок 2 Сплюснутый параболоид

Cut out portions – вырезанные части

Radius – радиус

Рисунок 3 Шаблон для изготовления

Uncut portions retained – невырезанные части сохраняются

For alignment with radial vector – выравнивание с радиальным вектором

Затененная область, которая представляет собой часть, вырезанную по обе стороны от радиального вектора, показана на рисунке 3.

Метод, установленный для глубоких параболоидов, идентичен за исключением того, что R должен быть оценен для каждого значения X, используя точные отношения. Тогда dW рассчитывается исходя из

Информация о прототипе параболоидного концентратора, изготовленного в Тромбае.

С помощью технологии, описанной выше, прототип параболоидного концентратора 1 м в диаметре был изготовлен толщиной в 1 мм производственного листа алюминия. Алюминизированный майлар аккуратно был вставлен первым на плоский лист (вырезанная окружность до ~ 12o мм в диаметре). Обратите внимание, что он не должен быть круговым. Можно было бы также сделать параболоид с использованием прямоугольного листа, используя принцип, описанный в этой статье, используя клей Favicol, чтобы избежать наличия складок и воздушных карманов. Уравнение для параболы Y = X2/115см, с фокусным расстоянием 28,8 см.

Был подготовлен картонный шаблон, схожий с рис. 3, соответствующий вышеуказанной параболе. Вырезанная часть (заштрихована на рис. 3) была отмечена на алюминиевом листе с помощью кисти и краски по обе стороны от 16 симметрично расположенных радиальных векторов. После обрезания ненужной окрашенной части, поднимаем 16 лепестков и фиксируем их в положении с их краями, соприкасающимися друг с другом посредством удобного расположения таких проволочных зажимов, заклепок, винтов или гаек.

Эта необрезанная часть в центре играла важную роль, обеспечивая механическую жесткость изготовленного параболоида. Получившийся параболоид оказался самонесущей и структурно весьма жесткий. Рисунок 4 показывает изображение прототипа параболоида, созданного в Тромбае. С осторожностью и умеренным давлением возможно сделать верхнюю часть параболоида более круглой и менее полигональной по форме. Максимальная ширина каждого лепестка составляла 20 см. Сделаны механические измерения.

Тестирования лазерного луча.

Размер фокальной области параболоида измерялся при помощи портативного гелио-неонового лазера. Используется лазер мощностью 10 МВт с диаметром луча 2,5 мм, с длинной волны 630 нм (красная область). Параболоид был установлен горизонтально на такой каркас, который может вращаться вокруг центральной оси. Кладется лист миллиметровой бумаги на подложку картона вдоль центральной вертикальной плоскости в фокальной области параболоида. Создается лазерный луч для того, чтобы освещение падало вертикально вниз на отражатель из-за расположения зеркала. Параболоид вращался, освещались крайние точки на графике, и отмечалось отраженное лазерное место.

Рисунок 4. Прототип параболоида, изготовленный в Тромбае.

Произошел резкий горизонтальный сдвиг на 10 см в отраженном месте, когда пучок падающего лазерного луча перешел от одного лепестка к следующему. Форма данного лепестка также была индивидуально рассмотрена, разброс или сдвиг отраженного лазерного пятна не наблюдался. Таким образом, было установлено, что фокальная область составляла ~ 10 см в диаметре и фокусное расстояние (длина) 22 + 5 см от дна. Это меньше, чем ожидаемое значение в 28,5 см, так как нижняя часть необрезанной части плоская.

Эксперимент по подогреву воды.

Производительность концентратора оценивалась путем нагрева воды/ измерений во время кипения. Наполненная 0,8 л воды стеклянная колба с затемненным дном, созданным при помощи черной эмали, помещенной в фокальной области. А-образная деревянная конструкция была использована для настройки концентратора.

0,8 литра воды кипятят в течение 15 мин. Это соответствует ~ 300 Вт поглощенной солнечной энергии. Предоставленное КПД ~ 35% (на основе 1 кВт/м 2 перехваченного излучения). Эффективность находилась в зависимости от природы поглощающего сосуда, его формы, размера и степени почернения. В некоторых случаях наличие с внешней стороны ограждение чистого стекла вокруг абсорбирующей емкости значительно увеличилась эффективность.

Сводка и выводы

Измерения производительности параболоидного концентратора, построенного из алюминированного майлара, вставленного на основу листа при использовании технологии изготовления, описанной в этой статье, подтвердили адекватность для различных приложений. Данный метод может быть легко расширен для соединения параболических концентраторов (КТК), а также других, неизображенных двухосевых коллекторов. Если аналитическое выражение между R и X оказывается громоздким, аналоговый метод прямого измерения R при помощи ряда или иным способом, который может быть принят после изображения желаемой параболы или составной кривой до полного размера на полу или на деревянной доске.

1. М. Л. Гай, T.Д. Бансал & Б. Н. Кауль Дизайн отражателя типа солнечной плиты, 12А, 165, (1953)

2. Е. А. Фарбер, Солнечная энергетика образование Proc. ISES 1973 года.

3. К.Х. Кастель & E. С. Коваалчик, Развитие статуса солнечного алюминиевого концентратора. Космические энергосистемы, стр. 821, Академик Пресс, Нью-Йорк 1966 год.

4. Р. Уинстон, Солнечный концентратор оригинальной конструкции, солнечная энергия (Solar Energy) 16,89, (1974)

5. VITA Отчет № 10, Оценка солнечных печей (подготовлено по контракту с Министерством торговли США, офис технического обслуживания) 1975.

Документ подготовлен на основе англоязычного материала .

Автор Опубликовано Рубрики

В настоящее время в мире потребляется более семи миллионов тонн алюминия в год, и большее количество многочисленных продуктов, которые изготовлены из этого металла, получают определенный способ обработки поверхности.

Хотя алюминий естественно окисляется на поверхности слоем толщиной примерно в 10 микрон, который служит для предотвращения дальнейшего окисления, эта защищающая поверхность легко разрушается, и хотя она опять регенерируется, оно малоэффективно в агрессивной среде. В то же время это окисленная поверхность является хорошей базой для нанесения другого покрытия.

Кроме того, необходимо учитывать, что естественный окисел алюминия не имеет сопротивления против коррозийного воздействия различных сред, которые генерируются в промышленных центрах или морских прибрежных районах. Поэтому были созданы различные процессы для улучшения поверхностей деталей, изготовленных из алюминия и его сплавов, самыми используемыми из которых являются:

полировка или шлифовка

химическое или электрохимическое окисление

эмалирование или покрытие лакокраской

По мере необходимости приобретаются качества:

Более хорошая сопротивляемость коррозии

Большая сопротивляемость неблагоприятным обстоятельствам

Улучшение эстетического аспекта и светоотражающей способности металла. Для этих целей используют различные приемы обработки поверхности, о которых мы расскажем в продолжение его основных техник.

Химическая полировка

Этим способом обработки можно устранить видимые дефекты поверхности изделия, не придавая поверхности сильной отражающей способности, как можно этого достичь мы посмотрим дальше, вместе с электрохимической шлифовкой.

Химическая полировка состоит в погружении деталей в емкость с соответствующим составом, чтобы его действие устранило имеющиеся неровности, а поверхность приобрела лучший контур.

Наиболее часто используемые растворы для этого процесса — произведенные и зарегистрированные под маркой шведской компании ALUPOL, чей состав следующий:

Фосфорная кислота плотностью 1,7 кг/литр, концентрация 53%, серная кислота плотностью 1,84 кг/литр, концентрация 41,6 %, азотная кислота (nitrico fumante): концентрация 4,5 %, нитрат меди: концентрация 0,5 %.

Детали для обработки предварительно обезжириваются трихлорэтиленом и затем погружаются в алкалиновый раствор.

Раствор подготавливается, как указано выше, при поддержании температуры 100 градусов, и детали держатся в растворе от 1 до 4 минут. Затем детали достают и промываю сначала в горячей воде и затем в холодной воде в большом объеме.

Британский продукт, похожий на продукт ALUPOL — PHOSBRITE 159, и существует еще много продуктов, сходных по характеристикам, с различными зарегистрированными названиями для химической полировки алюминия.

Электрохимическая шлифовка

В данном процессе устранение неровностей для выравнивая контура поверхности достигается путем анодного распада указанных неровностей.

Один из самых используемых методов — называемый BRYTAL, состоит в погружении предварительно обезжиренных и осторожно промытых деталей в раствор температурой 80 градусов, состоящий из 15% карбоната натрия и 5 % тринатрий фосфата.

При погружении деталей в раствор, производится первоначальное воздействие в течение 20 или 30 секунд, что удаляет естественный слой окисла алюминия, и затем пропускается разряд в 24 вольта между катодом, который в данном случае из нержавеющей стали 18/8 и деталью, и анодом, которым является деталь.

Таким образом создается поляризация, и ток падает с 4 до 2 А/дм2 поверхности обрабатываемой детали.

Анод остается покрытым окисленным слоем, который растворяется электролитом примерно на такой же скорости, как и создается, и его толщина при этом не растет.

Просушив, детали можно расценить как тонкий окисленный слой, который имеет недостаточно сильную защитную способность, причина, по которой иногда нужно проводить последующее анодирование.

Несмотря на это этим процессом можно добиться только большей светоотражающей поверхности, что делается в параболических щитах фар, то есть в поверхностях, защищенных против износа.

Также как химическая полировка, так и электрохимическая шлифовка, имеют целью только улучшить эстетический аспект поверхностей, но не подходят для защиты, этого можно достигнуть путем определенных процессов, так называемых «химического окисления» и «анодного» окисления», о чем мы расскажем далее

Химическое окисление

Защита деталей из алюминия и его сплавов путем химического окисления, хотя толщина пленки, которая может осаждаться, не превышает 2 микрон, имеет важные результаты, и экономически выгодно для многих способов применения.

Прежде всего непременный процесс в случае необходимости покрыть краской, либо лаком детали, так как без предварительного окисления не будет уверенности, что эти покрытия будут иметь достаточно сцепления.

Улучшает сопротивление против коррозии, повышает сопротивляемость от изнашивания, что улучшает эстетический уровень поверхности, которые большее время сохраняют свой металлический блеск.

Одна из самых используемых систем для химического окисления деталей из алюминия и его сплавов представлены ниже:

Заем детали опускаются в раствор, состоящий из 10 литров воды, к которой добавляется 500 граммов карбоната натрия и 150 грамм хромата натрия.

Раствор должен иметь температуру от 90 до 95 градусов, и детали должны оставаться в нем около 15 минут, после чего их моют сначала горячей, потом холодной водой.

Пленка, которая образуется на поверхности при данной обработке, состоит из оксидов алюминия и хрома и придает стойкий сероватый цвет, эта пленка создает прекрасную основу для нанесения лака и краски, и придает заметную сопротивляемость от коррозии и износа.

Анодное окисление

Этот процесс, обычно называемый анодированием, позволяет создать защитную пленку до 30 микрон толщиной, и дает максимальную защиту от коррозии и износа поверхности деталей из алюминия и его сплавов.

Пленка может иметь различные цвета, и быть электрически изоляционной, также этот процесс применяется для изготовления электрических конденсаторов.

Самая широко используемая система включает следующее:

осторожное обезжиривание и промывка, как в случае с химическим окислением

использование раствора, состоящего из простой смеси серной кислоты с концентрацией кислоты 20%, и мощности тока 1, 2 против 1,8 А/дм2 поверхности при напряжении от 10 до 20 Вольт

Температура раствора должна быть по возможности 20 градусов, и длительность процесса может быть от 30 до 60 минут.

Увеличение температуры раствора способствует образованию порошкообразного налета или не очень твердой поверхности.

По завершении процесса детали осторожно промываются в холодной воде. В случае, если требуется придать цвет, промытые детали опускают в окрашивающий раствор, который может быть перманганатом калия и ацетатом кобальта, которые придают зеленоватый синий оттенок соответственно, и температура каждого раствора поддерживается на уровне 70 градусов.

Для получения осадка более сильной плотности, как требуют детали, которые должны быть устойчивы к износу, важно изготовить систему, которая позволит поддерживать температуру раствора низкой: если необходима толщина в 100 микрон, температура должна быть 0 градусов.

Эти пленки большой толщины и большой твердости придают деталям свойство значительной сопротивляемости износу со значительными результатами.

Последняя фаза процесса — так называемое «запечатывание» (sellado): состоит в погружении анодированных деталей в чистую воду при температуре 100 градусов. Этим приобретается гидратация окисленной пленки, для эффекта увеличения размеров молекул для достижения пористости или запечатывания (Sellado).

Очень важна чистота используемой воды, в ней не должно быть минералов или солей, которые могут чувствительно изменить результаты анодирования.

Длительность запечатывания (sellado) составляет 30 минут при постоянной температуре воды в 100 градусов.

В случае, если деталям надо придать сопротивляемость морской коррозии, в горячую воду для запечатывания (sellado) добавляется бихромат калия в расчете от 20 до 50 грамм на литр.

Эта страница, а также «Параболические отражатели, изготовленные посредством надувания», подготовлена на основе PDF файла на английском и испанском языках (там 2 документа было объединено в один). Кому нужен оригинал, разместил его в (для уменьшения веса конвертировал в формат изображений). В архиве весь оригинальный файл, 2 части, качать дополнительно из смежной темы не нужно.

Автор Опубликовано Рубрики

R. N. Bracewell, K. M. Price

Стэнфордский университет, факультет электротехники, Стэнфорд, штат Калифорния, США

Выдержка: «Параболоиды диаметром более 1 м изготовляются из плоских листов посредством надувания, без использования формы или шаблона. Полученные свойства подходят для использования изделия в качестве СВЧ-антенны и, в большинстве случаев, для высококонцентрированной фокусировки солнечной энергии. Описанный процесс пригоден для изготовления отражателей по одному или по два за один раз (при выборе специальных фокусных расстояний и диаметров), но также может быть приспособлен для массового производства».

Введение

Параболические отражатели диаметром в несколько метров имеют множество назначений и могут служить в качестве антенн радиорелейной связи, солнечных концентраторов, зеркал для прожекторов в астрономических телескопах. Изготовление зеркал для телескопа является очень затратным из-за требований к точности поверхности до долей световой волны. Но даже в тех случаях, когда допустимое отклонение доходит до 1 мм, как при производстве антенн сантиметрового диапазона, стоимость изготовления велика. Так, конечные затраты составят сумму на порядок выше, чем стоимость материалов. Причина этого кроется в способе производства. Часть технологий основываются на изготовлении стальных шаблонов и пресс-форм для вакуумной отливки или прессования (листовой металл), графитовых форм (для моллирования) или форм из гипса или другого мягкого материала (стекловолокно). Исходная стоимость формы значительна и поэтому должна быть распространена на большое количество произведенных отражателей. Недостатком дорогостоящей формы также является неизменность фокусного расстояния, что впоследствии не позволит адаптироваться под производство изделий с другими параметрами. Стоимость шаблонов ниже, чем у форм, их использовали для изготовления СВЧ-антенн из листового металла.

Если требуется всего один или два отражателя диаметром до 5 м, из одинаковых сферических сегментов производятся составные параболоиды. В особых случаях допускается малозатратная по своей природе обработка сплошной металлической заготовки. Несмотря на это, при необходимости изготовления нескольких отражателей с особыми размерами, не существует действительно экономного способа. В некоторых сферах, таких как солнечная энергетика, соображения экономичности являются одними из первостепенных.

Исходя из этого, мы рассмотрели метод бесшаблонного скрепления и надувания для отражателей из листового металла. Прежде всего, мы опишем способ изготовления, затем конструктивные параметры и представим отчет о проделанных нами испытаниях.

Основной способ изготовления

На Рис. 1 мы видим два листа металла M, сжатых между двумя стальными кольцами R. Жидкость поступает между пластинами через клапан V, разделяя листы. Давление между листами превосходит предел упругости, и начинается пластическая деформация, надувая конструкцию, как воздушный шар. По достижению необходимой выпуклости клапан перекрывается, и давление сбрасывается. Эта процедура является более простой, чем надувание секторных пресс-форм , надувание мембран с примененными к ним затвердевающими веществами , или надувание мембраны, придающей форму эпоксидной смоле, в которую может быть добавлен отвердитель .

Конструктивные параметры

На первый взгляд может показаться, что для пластической деформации прочного листового металла требуются довольно высокое давление. Однако фактически, свободно доступное и относительно безопасное давление, производимое автомобильным насосом, оказалось достаточным для выполнения задачи.

Пусть D – диаметр отражателя; F – фокусное расстояние; ? – краевой угол наклона, равный arctg(4F/D); ? – полуугол, стягиваемый в фокусе, равный arcsin{F/D}; ? – глубина параболоида, равная F – D/(tg?). Вышеприведенные величины определяют форму параболы (Рис. 2). В данном примере мы рассматриваем отражатель диаметром 1,12 м. с фокусным расстоянием 1,12 м. В этом случае? = 76, ? = 28 и? = 7см.

Следующие величины таковы: t – толщина листового металла, p – давление жидкости, f y – предел пластического течения листового металла; L – осевая нагрузка; T 1 – напряжение листового металла на единицу длины его краев. Давление p, воздействующее на круг с диаметром D, производит осевую нагрузку L, рассчитываемую по формуле:

L = (?/4)D 2 p. (1)

В состоянии равновесия, осевая нагрузка также равняется осевой составляющей T 1 sin?, воздействующей на периметр?D, отсюда:

L = ?DT 1 cos?. (2)

Если предел пластического течения был достигнут, то

f y = T 1 /t. (3)

Соединив эти уравнения, мы обнаружим, что давление, необходимое для пластической деформации металла, равняется:

p = 4f y (t/D)cos?. (4)

При использовании алюминия марки 1100-О, предел пластического течения которого равен 35 МПа, а толщина – 3 мм, необходимое давление p составляет 100 кПа (1,05 кг/см 2). С другой стороны, при использовании 1,5-миллиметровой холоднокатаной листовой стали с пределом в 262 МПа, потребуется давление в 360 кПа (3,64 кг/см 2). На основании этих расчетов, мы приступили к опытным испытаниям.

Производственные испытания

Два испытания будут рассмотрены детально. В первом использовалась пара стяжных колец диаметром 0,9 м. Кольца получены прокатыванием через ролики 12,7-миллиметровых прутьев квадратного профиля с последующим свариванием. Материалом послужил алюминий 6061-О толщиной в 2 мм. Кольца сдерживали 44 4,83-миллиметровых стальных винта повышенной прочности. Два листа были надуты до высоты в 5 см. Удобно использовать чрезмерное давление для ускорения процесса. Потребовалось также использование прокладочного клея для предотвращения протекания. Две получившиеся чаши оказались достаточно жесткими и без повреждений выдерживали человеческий вес. Таким образом, возможность изготовления отражателей с таким скромным набором оборудования, как пара стяжных колец, была подтверждена.

С целью подробного исследования метода как такового, была создана более продуманная конструкция в форме круглого стола диаметром 1,2 м, толщиной в 22,4 мм с 36-ю отверстиями для болтов под 19 мм болты и клапан. Было предусмотрено стяжное кольцо шириной 5 см, толщиной 1,9 см и внешним диаметром в 1,2 м. Новая установка позволяет избежать следствий податливости зажимов и вставки клапана в один из листов. Было изготовлено несколько удачных 1,12-метровых отражателей высотой в 7,5 см из алюминия марок 6061-О и 1100-О толщиной 2 мм и 3 мм соответственно.

Точность формы

В результате процесса была получена достаточно гладкая форма, которая при проверке показала среднеквадратическое отклонение от идеального параболоида в 0,5 мм. При длине волны в 30 мм, отклонение примерно в 3 мм является приемлемым, поэтому для СВЧ-антенны изделие подходит практически идеально. Некоторый астигматизм формы объясняется тем фактом, что предел пластического течения был выше в том направлении, в котором алюминиевый лист был прокатан в процессе производства, и в случае с закаленным сплавом этот эффект будет еще менее заметен. Края параболоида сгибаются в эллипс при нажатии, и по этой причине требуют наличия жесткого монтажного кольца у края или рядом с ним. Астигматизм легко удаляется после установки отражателя на крепление.

Нет причин думать, что пластическая деформация под постоянным давлением приведет к параболоидной форме. Фактически, именно сферическая форма является равновесной осесимметричной поверхностью для однородного изотропного материала в отсутствии жесткости при изгибе. Однако, не существует значительной разницы между сферой и параболоидом при нашем диапазоне форм, что может быть доказано сравнением параболы y 2 = 4,48x с окружностью (x – 2,24) 2 + y 2 = (2,24) 2 . Например, при y = 5,56 м, получаем x = 7,00 см для параболы и x = 7,12 см для окружности, с разницей всего 1,12 мм. Максимально правильная парабола будет еще более соответствовать окружности, со средним отклонением всего около 0,3 мм. Несмотря на то, что мы подвели точность формы к пределам в 0,3 мм, очевидно, что получение строгой формы методом скрепления и надувания – вопрос нескольких усовершенствований.

Оптические свойства

Отражатель радиусом 1,12 м из алюминия 1100-О толщиной 3 мм был покрыт хромированной пленкой «Scotchcal» толщиной 0,13 мм. На Рис. 3. можно увидеть весьма гладкую поверхность. Воздействие солнечного света выявило наибольший нагрев в фокусе диаметром 1 см, а полностью весь свет фокусируется на двухсантиметровый круг. Идеальная теоретическая область концентрации * для параболоида с отношением F/D = 0,9 составит 9000.

Вывод

Метод скрепления и надувания для изготовления отражателей показал себя как подходящий и экономичный метод производства. Достигаемые свойства непосредственно подходят для СВЧ-антенн и для применения в солнечной энергетике. Наивысшая возможная концентрация, необходимая для термофотоэлектрического преобразования также может быть достигнута. Существует необходимость в дополнительных испытаниях в контролируемых условиях с более строгими размерами формы поверхности, с целью установления полного потенциала метода с высокой точностью. Для малого производства предлагается способ со стяжными кольцами, но для массового производства будет выгоден более удобный вариант со столом и одним кольцом. Такие приспособления, как кулачковый зажим, могут быть использованы вместо винтов, чтобы ускорить процесс. Для многосерийного производства можно предложить автоматический пресс со стяжным кольцом и резальную машину, вместе с использованием автоматического надувания и микропереключателя, останавливающего надувание при достижении нужной высоты.

Благодарности: Механическое изготовление описанного оснащения принадлежит Карлу Криспу. Денежные средства были предоставлены профессором Джоном Линвиллом, деканом факультета электротехники и профессором Уильямом Рейнольдсом, деканом факультета машиностроения Стэнфордского университета.

Сноски

* Область концентрации определяется как отношение площади апертуры (раскрыва) отражателя к площади приемника. При высокой концентрации, область концентрации может существенно отличаться от общепринятого отношения концентрации потока – отношения плотности потока в точке плоскости приемника к плотности потока в точке?? плоскости апертуры .

4. S. Zwerdling, Concentrator technology group report. Proc. of department of Energy Photovoltaic Concentrator Workshop, p. 126. Scottsdale, Arizona, 24-26 May 1977).

5. R. N. Bracewell, Thermophotovoltaic project. Report ER-283-SR, Electric Power Research Institute, 2, 17-1-17-3 (March 1976).

6. R. M. Swanson and R. N. Bracewell, Silicon photovoltaic cells in thermophotovoltaic conversion. Rep. ER-478. Electric Power Research Institute (Feb. 1977).

7. R. N. Bracewell and R. M. Swanson, Silicon photovoltaic cells in TPV conversion for isolated electric systems. Proc. IEE Electric Energy Conf. Canberra, pp. 52-55 (May 1978).

8. R. N. Bracewell, K. M. Price and R. M. Swanson, Thermophotovoltaic conversion for isolated electric systems. Proc. IEE Electric Energy Conf. Canberra, pp. 52-55 (May 1978).

9. R. M. Swanson, A proposed thermophotovoltaic solar energy conversion system, Proc. IEEE 67, 466 (1979).

Эта страница, а также «Обработка поверхности алюминия и его сплавов», подготовлена на основе PDF файла на английском и испанском языках (там 2 документа было объединено в один). Кому нужен оригинал (может быть полезен для просмотра формул при анализе переведенного материала на отсутствие ошибок). Разместил его в (для уменьшения веса конвертировал в формат изображений).

Автор Опубликовано Рубрики

Солнечный отражатель сделать очень легко. Его прелесть в том, что вы можете собрать параллельные солнечные лучи в определенную точку. Использовать его можно для самых разных целей. Например, для приготовления пищи на солнце, пастеризации и даже для воздушной вентиляции (нет, это не опечатка). Дизайн, который я здесь представлю, дешевый и эффективный. Я выбрал алюминий как отражающую поверхность. Причина, по которой я не использую зеркала, состоит в том, что они очень хрупкие, и могут причинить вред здоровью владельца. К тому же они дорогие. В то время как листы алюминия дешевы и легкие в весе. Если беспокоиться об отражающей способности, то только алюминий в этом плане близок к стеклянным зеркалам. Поэтому можете не волноваться об отражающей способности.

Вам понадобятся следующие вещи для отражателя:

• стекловолоконная спутниковая антенна
• алюминиевый лист
• ножницы или острый нож
• маркер
• рулетка

Шаг первый: Купить параболическую спутниковую антенну

Посетите любой магазин, в котором можно её купить. Попросите дать вам тарелку диаметром 6 футов (или любого другого размера, какой пожелаете). Не покупайте передатчик, поскольку антенна вам нужна не для того чтобы смотреть телевизор. Это снизит её цену. Кстати, можете просто заглянуть на ближайшую свалку и купить старую тарелку, там она будет стоить гораздо дешевле. Убедитесь, что ваша антенна сделана из стекловолокна, поскольку этот материал легок в весе и прост в обращении. Такая антенна обойдётся вам примерно в $12.е покупайте передатчик

Шаг 2: Произведите расчеты Теперь вам нужно произвести некоторые расчёты. Измерьте диаметр параболической тарелки (сделайте это, даже если продавец сказал вам диаметр, вам нужно знать точное значение) Рассчитайте длину окружности тарелки по формуле: Длина окружности=3.14*(диаметр антенны) Хотя это формула для круга, мы можем её использовать и для параболической тарелки, чтобы быстрее и проще делать расчёты.

Значение длины окружности, которое вы получить из этой формулы, будет равна длине листа, который нам понадобится.

Найдите радиус, поделив диаметр на два.

Помните, вам нужно купить лист шириной чуть более чем радиус параболической тарелки.

Итак, вы подсчитали две величины:

1. Необходимую длину листа
2. Необходимую ширину листа

Шаг третий: Купите алюминиевый лист и клей.

Купите алюминиевый лист и клей в хозяйственном магазине. Алюминий обычно продают рулонами. Когда кто-нибудь приходит купить фольгу, продавец спрашивает только необходимую длину. Вам нужно будет позаботиться и о ширине. Не покупайте лист, ширина которого меньше необходимой.

Выберете клей, которым можно приклеивать любые поверхности. Спросите у продавца, если не знаете, какой клей выбрать.

Шаг четвертый: Нарежьте алюминиевый лист

Теперь нам нужно разрезать лист на несколько треугольных кусков. Для этого нужно разделить лист на 6-8 одинаковых частей. Поделите «необходимую длину листа» на 6 или на 8. Отметьте точками равные интервалы (величину каждого подсчитайте).арежьте Нарежьте листов перпендикулярно, чтобы получились прямоугольники.

Aluminium Sheet — Алюминиевый лист ____________________________________________________ Cut along the dotted red lines – Режьте по пунктирным красным линиямto get following rectangles – чтобы получились такие прямоугольники
_________________________________________________________

Mark the centers of the upper side of rectangle with a marker – отметьте середины верхних сторон прямоугольников маркером

Now cut along the dotted line that is joining lower vertices with a blue mark on the top – Теперь разрежьте по пунктирной линии, которая соединяет нижние вершины с синей точкой наверху

_____________________________________________________________________________

Now you have got an isosceles and two right-angled triangles — Теперь у вас есть равнобедренный и два прямоугольных треугольника ______________________________________________________________


Now start pasting the isosceles and right-triangular sheets as shown below – теперь начинайте укладывать равнобедренные и прямоугольные треугольники как показано нижеTop view of antenna – вид на антенну сверху________________________________________________________Когда закончите приклеивать треугольники по длине окружности, дайте клею высохнуть.Через несколько часов ваш отражатель будет готов ослепить кого (или что) угодно!

«Механизм» подставок для кастрюли, держащий её в фокусе

Чтобы сделать подставку вам понадобятся:

• шест от антенны
• распорка
• стальная проволока
• пустое использованное ведро из-под краски
• цемент
• песок
• гайка и болт

Вещи которые вам пригодятся:

Antenna pole — шест от антенны

Strut – Распорка

Paint bucket – Ведро из-под краски

Steel wire – Стальная проволока

Выберите шест с несколькими дырками. Приготовьте немного бетонного теста и налейте его в ведро. Теперь вставьте шест вертикально в раствор, дайте засохнуть.

Когда бетон затвердеет, прикрутите распорку к шесту (гайкой и болтом). Распорка должна быть с дырками на обоих концах.

Одну дырку используйте, чтобы прикрутить её к шесту, а на вторую повесьте проволоку.

Поправляйте кастрюлю, ослабляя и закручивая болт.

Кастрюлю можно повесить на проволоке, как показано ниже. аметьте, ЭЭпечь может использоваться для приготовления хот-догов. Убедитесь, что претворяя проект этой печи в жизнь, вы не коснётесь нагретой печи, так как это может вызвать ожоги.

Hang wire from this hole – проденьте проволоку через эту дырку. Use this hole to bolt pole and strut together. This bolt can be loosened to adjust the strut. – Используйте эту дырку, чтобы прикрутить распорку к шесту. Этот болт можно расслабить, чтобы регулировать распорку. adjustable nut and bolt – cовместимые гайка и болт strut – распорка pole – шест paint bucket – ведро из-под краски

Очень давно хотелось изготовить солнечный параболический концентратор. Прочитав массу литературы по изготовлению формы для параболического зеркала, я остановился на простейшем варианте - спутниковой тарелке. Спутниковая тарелка имеет параболическую форму, которая собирает отраженные лучи в одной точке.

За основу присмотрел Харьковские тарелки "Вариант". По приемлимой для меня цене мог приобрести только 90 сантиметровое изделие. Но цель моего опыта - высокая температура в фокусе. Для достижения хороших результатов необходима площадь зеркала - чем больше, тем лучше. Поэтому тарелка должна быть 1,5м, а лучше 2м. В ассортименте Харьковского производителя есть данные размеры, однако изготовлены они из алюминия, и соответственно цены заоблачные. Пришлось нырнуть в интернет, в поисках б/у изделия. И вот в Одессе, строители разбирая какой-то объект, предложили мне спутниковую тарелку размерами 1,36м х 1,2м., изготовленную из пластика. Немного не дотягивала до моих пожеланий, однако цена была хорошей, и я заказал одну тарелку.

Получив через пару дней тарелку, обнаружил, что изготовлена она в США, имеет мощные ребра жесткости (я переживал, достаточно ли крепкий корпус, и не поведет ли его после наклейки зеркал), и крепкий механизм ориентирования с множеством настроек.

Также приобрел зеркала, толщиной 3мм. Заказал 2 кв.м. - немного с запасом. Зеркала продаются в основном толщиной 4 мм., нашел троечку, чтобы легче было нарезать. Размер зеркал для концентратора решил сделать 2 х 2 см.

После сбора основных комплектующих приступил к изготовлению подставки для концентратора. Нашлось несколько уголков, кусочков труб и профильков. Нарезав по размерам, сварил, зачистил и покрасил. Вот что получилось:

Итак, изготовив подставку, принимаюсь за нарезку зеркал. Зеркала получил размерами 500 х 500 мм. Первым делом разрезал пополам, а потом сеткой 2 х 2 см. Перепробовал кучу стеклорезов, однако сейчас найти в магазинах, хоть что-то толковое, не представляется возможным. Новый стеклорез режет идеально 5-10 раз, и все.... После этого можно сразу выкидывать. Возможно есть какие-то профессиональные, но покупать их надо не в строительных магазинах. Поэтому, если кто-то соберется сделать концентратор из зеркал, вопрос о порезке зеркал самый трудный!

Зеркала нарезаны, тренога готова, приступаю к поклейке зеркал! Процесс долгий и нудный. У меня количество зеркал на готовом концентраторе получилось 2480 штук. Клей выбрал неправильный. Купил специальный клей для зеркал - держит хорошо, но он густой. При наклейке, выдавливая капельку на зеркало и прижимая потом к стенке тарелки, есть вероятность неравномерно прижать зеркало(где-то сильнее, где-то слабее). От этого зеркало может быть приклеено не плотно, т.е. будет направлять свой лучик солнца не в фокус, а около него. А если фокус будет размыт - высоких результатов ждать нечего. Забегая вперед, скажу, что у меня фокус получился размытым (из чего делаю вывод о том, что необходимо было применить другой клей). Хоть и результаты опыта порадовали, но фокус был размером приблизительно около 10 см, а вокруг еще размытое пятно еще по 3-5 см. Чем меньше фокус, тем точнее фокусировка лучей, тем соответственно будет выше температура. На поклейку зеркал у меня ушло почти 3 полных дня. Площадь нарезанных зеркал составила около 1,5кв.м. Был брак, вначале, пока не приспособился - много, позже существенно меньше. Бракованные зеркала составили, наверное, не более 5 %.

Солнечный параболический концентратор готов.

При замерах, максимальная температура в фокусе концентратора составила не менее 616,5 градусов. Солнечные лучи помогли поджечь деревянную доску, расплавить олово, свинцовый грузик и алюминиевую пивную банку. Эксперимент я проводил 25 августа 2015 года в Харьковской области, пгт.Новая Водолага.

В планах на следующий год (а может быть получится и в зимний период) приспособить концентратор для практических потребностей. Возможно для нагрева воды, возможно для выработки электроэнергии.

В любом случае, всем нам природа дала мощнейший источник энергии, надо только научиться им пользоваться. Энергия солнца в тысячи раз перекрывает все потребности человечества. И если человек сможет взять хотя-бы малую часть этой энергии, то это будет величайшим достижением нашей цивилизации, благодаря которому мы сохраним нашу планету.

Ниже представлен ролик, в котором вы увидите процесс изготовления солнечного концентратора на основе спутниковой тарелки, и опыты, которые с помощью концентратора получилось сделать.

Всем привет! С Вами Виталий Соловей. Сегодня моя статья будет на тему параболических зеркал и вообще энергии солнца. Пару лет назад на просторах интернета США я наткнулся на уникальное по тем временам устройство — параболическое зеркало, которое так же ещё называют концентратором прямых солнечных лучей. Визуально оно напоминает спутниковую тарелку с зеркальной поверхностью внутри.

Принцип действия данной тарелки таков, что при попадании солнечных лучей на зеркальную поверхность, лучи отражаются и скапливаются в одной точке. Это происходит благодаря параболической форме тарелки и луч света отражается точно под таким же углом, под которым попал на зеркальную поверхность.

При правильном исполнении, так называемого, выпуклого зеркала, температура в месте скопления лучей может достигать 2 000 градусов по товарищу Цельсию.

В подтверждение этого приведу видеоролик

Поверхность параболического зеркала может быть либо цельная, то есть без швов, либо из кусочков зеркал или отражающей плёнки. На видео выше, зеркало состояло из 5800 отдельных маленьких зеркал. Но сложность состоит в том, чтобы правильно их все разместить. Разместить все 5800 мини зеркал под правильным углом.

Так же поверхность может быть покрыта кусочками отражающей серебряной плёнки, что тоже не есть гуд, так как из-за многочисленных швов, солнечные лучи слегка рассеиваются и эффект будет значительно слабее.

Вы ходом в данной ситуации может быть, если саму выпуклую тарелку изготовить из нескольких продольных частей, на которые ровно наклеена отражающая плёнка.

В таком случае отражённые лучи под наиболее правильным углом будут фокусироваться в точке скопления. Но самым эффективным способом изготовления всё таки является натуральное стеклянное зеркало параболической формы, которое, конечно стоить будет немерено для применения зеркала в быту.

Простейший и наиболее эффективный вариант, который я нашёл — это метод вакуумной формовки параболического зеркала.

Во время приклеивания, плёнку лучше расстелить зеркальной стороной к столешнице, а оклееной посудиной накрыть её и немного прижать.

• Теперь чтобы сформировать параболическую форму для плёнки, потребуется откачать воздух из получившегося сосуда. Для этого просверлим отверстие в любой части пластиковой посудины и вставим туда велосипедный золотник.

Важно! Золотник требуется установить обратной стороной наизнанку, так как мы будем выкачивать воздух, а не накачивать его внутрь посудины.

И вот, что должно получиться в идеале:

На этом пока всё, в последующих статьях ещё расскажу о других, не менее важных применениях параболического зеркала. А напоследок видео о том, как развести огонь с помощью туалетной бумаги и столовой ложки:

Cтраница 1

Параболические зеркала используются во всех крупнейших телескопах, в том числе и в самом большом 6-метровом телескопе. В этих телескопах устранены сферическая и хроматическая аберрации, однако параллельные пучки, идущие даже под небольшими углами к оптической оси, после отражения не пересекаются в одной точке и дают сильно искаженные внеосевые изображения. Поэтому пригодное для работы поле зрения оказывается очень небольшим, порядка нескольких десятков угловых минут.  

Получение почти параллельного пучка света при помощи вогнутого сферического зеркала.| Построение изображения точки, создаваемого сферическим зеркалом.

Параболическое зеркало дает более направленный пучок света. На этом свойстве зеркал основано устройство прожекторов и рефлекторов (отражателей) различного рода.  

Параболическое зеркало из сплошного листа концентрирует в фокусе тепло солнечных лучей и нагревает облучатель. Для устранения этого понижают отражающую способность зеркала световым лучам, применяя мелкошероховатые (рубчатые) листы, специальную покраску и защищают облучатель колпаком с хорошо отражающей лучи поверхностью. В больших зеркалах применяют температурные компенсаторы для исключения вредного действия нагрева солнечными лучами несущей конструкции и отражающей поверхности.  

Параболические зеркала бывают стеклянные и металлические.  

Оптическая схема монохроматора Лит-трова (спектрофотометр СФ-16.| Оптическая схема монохроматора Уолша (ИК-приборы ИКС-21 и ИКС-22.| Оптическая схема монохроматора Уолша с тремя сменными призмами (ИК-спектрофотометр UR-20.

Параболические зеркала трудоемки в изготовлении и дают высокое качество изображения только на оси параболоида.  

Параболические зеркала используются во всех крупнейших телескопах. В этих телескопах устранены сферическая и хроматическая аберрации; однако параллельные пучки, идущие даже под небольшими углами к оптической оси, после отражения не пересекаются в одной точке и дают сильно искаженные внеосевые изображения. Поэтому пригодное для работы поле зрения оказывается очень небольшим, порядка нескольких десятков угловых минут.  

Эквивалентное параболическое зеркало имеет тот же диаметр, что.  

Министерство науки и образования Украины

Черкасский государственный технологический университет

Кафедра радиотехники

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Приборы СВЧ и антенны»

На тему: «Зеркальные антенны»

Проверил: Исполнил:

Преп. Даник.В.О. студ. 4-го курса

гр. ЗРТ-33, ФЕТ

Соболев А.В.

Черкассы, 2007

Введение

1. Действие зеркал

2. Влияние фазовых отклонений

5. Другие зеркальные антенны

Список использованной литературы

Введение

Антенна выступает в роли промежуточного звена радиоприбором – приемником или передатчиком – и окружающим пространством, являясь своего рода преобразователем электромагнитной энергии, её трансформатором. Передающая антенна, питаемая энергией радиопередатчика, возбуждает в пространстве электромагнитное поле, несущее сигнал. Незначительную часть энергии поля улавливает приемная антенна, создающая на входе радиоприемника эдс, достаточную для воспроизведения сигнала.

С изобретением радио начинается история антенной техники, которая проходит свои этапы вместе с развитием радиотехники. Однако элементы, излучавшие электромагнитную энергию и отбиравшие ее из пространства, были известны уже в опытах Генриха Герца (1886–1888гг.) до возникновения самой идеи об использовании электромагнитного поля для передачи сигналов. Впоследствии нашим знаменитым соотечественником А. С. Поповым была изобретена первая радиотехническая антенна.

Вслед за первыми шагами радиотехники, когда использовались искровые и дуговые генераторы, задачам радиосвязи были подчинены длинные и средние, а затем и короткие волны. За это время – к середине тридцатых годов – возникли и сформировались все основные типы проволочных антенн, или «радиосетей». Антенны длинных и средних волн по своим размерам почти всегда меньше длины волны. Освоение же коротких волн означало качественный скачок в антенной технике, так как открылась реальная возможность построения антенн, значительно превышающих длину волны и поэтому обладающих большой направленностью действия. Тенденция к дальнейшему укорочению рабочей волны ещё сильнее проявляется в последующий период, начиная с предвоенных лет. Как известно, благодаря появившимся недавно оптическим квантовым генераторам практике теперь доступны когерентные электромагнитные колебания светового диапазона, что открывает совершенно новые возможности в радиосвязи.

1. Действие зеркал

Рефлек­тором для антенны являлась такая же антенна, расположенная на расстоянии четверти волны и питаемая в опережающей квадратуре либо не присоединенная к источнику,- «пассивная» антенна. В последнем случае отражение оказывалось неполным: антенна с пассивным рефлектором обладает некоторым обратным излучением.

Между тем, можно представить совершенный пассивный рефлек­тор в виде расположенной за антенной Р (рис. 1а) идеально проводящей плоскости. Если расстояние Н выбрано так, что при отражении в направлении нормали волна приходит к Р в фазе с прямым излучением, то амплитуда поля в этом направлении удваивается. В случае параллельного отражающей плоскости линей­ного вибратора (рис. 1б) ее действие эквивалентно находящему­ся на расстоянии 2h противофазному вибратору и, следова­тельно, для удвоения излучения по нормали нужно брать

Применяя рассмотренный принцип на практике, не стремятся к максимально возможному увеличению плоского пассивного рефлектора.

Достаточно (рис, 1в), чтобы края этого антенного зеркала были видны из Р под углом 2α 0 , внутри которого сосредоточено все или почти все обратное (270° > а > 90°) излучение антенны Р. Тогда обратное излучение антенны с зеркалом будет пренебрежимо мало.

В дальнейшем при изучении антенных зеркал будем предполагать, что все размеры системы - в том числе и расстояние облучателя от зеркала - значительно превосхо­дит длину волны, так что применимы правила геометрической оп­тики.

Следя за ходом лучей, отраженных от плоского зеркала (рис.2а), легко заметить, что угловая ширина пучка лучей, па­дающего на зеркало, при отражении сохраняется. На (рис.2б) для сравнения показано кривое зеркало, поверхность которого спе­циально выбрана с тем расчетом, чтобы пучок лучей, расходящийся из Р, превратить в параллель­ный - с угловой шириной 2а 0 = 0°. Такое зеркало создает синфазное поле в своем плоском раскрыве, след которого показан пунктиром на рис.б. В зависимости от характера облучающей антенны оно более или менее близко к полю в раскрыве иде­альной поверхности антенны.

Параболическое зеркало. Покажем, что изображенный на рис.3 про­филь зеркала, собирающего расходя­щийся пучок лучей в параллельный, описывается параболой. На рис. 3 сделаны построения, необходимые для этого вывода. Начало координат совмещено для удобст­ва с точечным облучателем зеркала Р.

Профиль зеркала можно было бы найти из условия, что при от­ражении от его поверхности должен выполняться закон Снеллиуса: угол отражения равен углу падения. Это привело бы к дифференциальному уравнению кривой. Но проще задаться равенством всех оптических путей из начала координат до плоскости х = 0:

Рассматривая центральный луч, видим, что

Учитывая также равенства

Оно имеет вид

На рис. 4 введены следующие обозначения: диаметр параболического зеркала D , глубина d и угол раскрыва 2α 0 ; зеркало рис.4а, для которого называется длиннофокусным, а зеркало рис.4б -короткофокусным, так как для него

Внося в (5.69) координаты края зеркала находим следующее соотношение, связывающее его линейные раз­меры с фокусным расстоянием:

Как видно из рис. 5

С учетом это выражение можно переписать в виде

В антенной технике применяются зеркала в виде параболоида вращения (рис. 5a), а также в виде параболического цилиндра (рис.5б). В первом случае облучателем служит точечная, а во втором - линейная антенна. Соответственно нужно рассматривать как меридиональное сечение параболоида вращения либо как сечение параболического цилинд­ра плоскостью, к которой линейный облучатель нормален.

2. Влияние фазовых отклонений

Подобно тому как это было сделано при рассмотрении линз, выясним ряд вопросов, связанных с влиянием фазовых искажений в раскрыве антенны. Обычно в раскрыве зеркала допускается фазовое отклонение Δφ= π/2.

На рис.6а показано изменение хода центрального и крайнего лучей при смещении облучателя зеркала вдоль фокальной оси. Раз­ность их фаз в раскрыве есть

откуда допустимое смещение равно

(Δ-отклонение некоторой точки поверхности зеркала вдоль луча точечного источника), получаем следующее выражение для линей­ного допуска:

и если разрешается Δφ = π/8, то

Наименьшее отклонение допускается в центре зеркала зеркала (а" = 0):

Итак, по краям зеркало может быть сильнее деформировано без существенного ухудшения его свойств.

3. Направленность действия параболического зеркала

Поле излуче­ния, создаваемое зеркалом, в принципе можно найти, зная наведен­ный облучателем на его поверхности электрический ток. Вместо тока на «освещенной» стороне можно рассматривать поле в плоско­сти раскрыва, которое заменяется электрическим и магнитным эквивалентными поверхностными токами либо распределением источников типа элемента Гюйгенса. Однако и для определения тока на поверхности зеркала, и для нахождения поля в его раскрыве нет иного практического приема, кроме предположения, что каждый элемент зеркала действует как элемент плоскости, что, естественно, дает лишь приближенный результат. При этом, в част­ности, не учитываются краевая дифракция и токи на «неосвещен­ной» стороне зеркала.

Согласно известному правилу плотность поверхност­ного тока зеркала есть

где Нs - магнитное поле на металлической поверхности.

Каждый ее элемент, как уже отмечалось, принимается за уча­сток бесконечной плоскости, и соответственно этому Н s находится как удвоенная (при отражении) касательная к зеркалу компонента магнитного поля облучателя Н:

По известной характеристике направленности облучателя (обыч­но считают, что зеркало находится в его дальней зоне) вычисляют распределение тока на всем зеркале. Затем поле излучения зерка­ла находится как суперпозиция полей всех излучающих элементов. Это можно сделать как путем непосредственного интегрирования полей, создаваемых токами зеркала в дальней зоне, так и при по­мощи векторного потенциала.

Второй способ определения направленности действия зеркаль­ной антенны, при котором исходят из поля в его раскрыве, назы­вается «апертурным». Пусть рассматривается зеркало в виде пара­болоида вращения, и поле в раскрыве по известной характеристике облучателя уже найдено. Объяснению дальнейших действий служит рис.7, на котором дальнее поле описывается в сферических координатах (r , υ, α), а поле в раскрыве - в штрихованных сфери­ческих координатах (r , 90°-ύ, α"). Дальняя точка наблюдения М (r , υ, α) лежит в плоскости α = 0, являющейся также плоскостью чертежа. Начало координат находится в центре раскрыва, и соответ­ственно этому в раскрыве υ" = 90°,

Пусть комплексная амплитуда электрического поля излучения в точке М (r , υ , 0), создаваемого элементом раскрыва в окрестности точки Р (r ", 0, α"), есть

где q(r ", α") - взятая с требуемой амплитудой функция плотности источников в раскрыве. Как видно из рис. 7,

Учитывая это и интегрируя d Е m по раскрыву, имеем следующее выражение для электрического поля дальней зоны антенны в плос­кости α = 0:

Принимая во внимание, что интегрирование по α" приводит к функции Бесселя нулевого порядка, которая имеет интегральное представление

Полагая sin υ 0 ≈ υ 0, имеем

Полученные формулы оказываются бо­лее достоверными для длиннофокусных зер­кал, облучаемых обычно равномернее, чем короткофокусные.

Учет действительных характеристик на­правленности реальных облучателей требует уже весьма громоздких математических действий, которые не приводятся. Остановимся лишь на некоторых результатах, обычно ис­пользуемых при расчете зеркальных антенн.

Подробнее других изучено параболическое зеркало, облучаемое элементарным электрическим вибратором, снабженным плоским контррефлектором (рис.8). Характеристика направленности в меридиональной плоскости при этом выражается формулой

Знак плюс берется в том случае, когда меридиональная плоскость проходит через облучающий вибратор (плоскость Е), а минус - в случае перпендикулярной вибратору меридиональной плоскости (плоскость Н).

Кнд антенны в которой коэффициент использования раскрыва x равен:

График функции х(R/f) показыва­ет, что найвыгоднейшим при данном типе облучателя является отношение радиуса зеркала к фокусному расстоянию:

при котором

Существование оптимума объясняется следующим образом: при удалении облучателя кнд антенны должен был бы возрастать в результате повышения равномерности облучения, однако при этом уменьшается угол, под которым видно зеркало (рис.8а), так что увеличивается доля энергии, уходящей за его край, что снижает кнд.

Короткофокусное зеркало (рис.8б) облучается почти без потерь, но неравномерно. Можно убедиться, что максимальный коэффициент использования соответствует состоянию, при котором амплитуда поля дипольного облучателя на краю зеркала составляет около 1/3 максимальной.

На рис.9а, б показано распределение тока в зеркале при дипольном облучателе. Ток, наводимый на короткофокусном зерка­ле (рис.9б), собирается у двух полюсов, расположение которых нетрудно определить из рис.9в: они лежат на пересечениях оси облучателя с поверхностью параболоида.

В результате существова­ния полюсов часть зеркала несет противофазный ток, уменьшающий излучение в осевом направлении. Как говорят, зеркало имеет при этом «вредные зоны». Однако и в тех случаях, когда вредных зон нет, нельзя игнорировать специфического искривления линий тока в результате неоднородности поля облучателя.

4. Применение параболических зеркал в антенной технике

Соединение параболического зеркала с облучателем называют зеркальной или параболической антенной. Последнее название более точно, так как находят применение и непараболические зеркала, порождающие иные зеркальные антенны. Разработано много раз­личных типов точечных облучателей для зеркал в виде параболои­да вращения; некоторые из них будут рассмотрены.

Облучатель в виде элементарного электрического вибратора с плоским отражателем - «дипольно-рефлекторный» - может быть реализован в конструкции, показанной на рис.10а. Диполь питается коаксиальной линией, проходящей по оси симметрии за зеркало, и присоединен к ней при помощи стакана, обеспечивающе­го симметричное питание. Одна половина вибратора соединена с внешним проводником линии, а другая - с построенным как его продолжение металлическим четвертьволновым цилиндром, к кото­рому подходит внутренний проводник линии. Диаметр дискового контррефлектора обычно составляет около 0,8l. Фазовый центр облучателя находится приблизительно в плоскости контррефлек­тора.

Конструктивно более прост облучатель в виде небольшого пирамидального рупора (рис. 10б). Размеры раскрыва рупора выби­раются с тем расчетом, чтобы угловая ширина главного лепестка диаграммы направленности была приблизительно одной и той же в Е- и Н-плоскостях. Можно отметить, что волновод, питающий рупор, несколько искажает доле излучения зеркала, «заменяя» про­странство. В то же время при облучении рупором мала кросс-поля­ризация, так как поле облучения более однородно.

В отличие от рассмотренного «волноводно-рупорного» облуча­теля «волноводно-вибраторный» (рис. 10в) и «волноводно-щелевой» (рис.10г) облучатели питаются волноводами, не затеняющи­ми пространство.

Вибраторы, возбуждаемые излучением волновода (рис.10в), укрепляются на металлической пластинке, которая, будучи перпендикулярной вектору Е, не возмущает поля. При раз­мерах системы, указанных на рисунке (при этом первый вибратор несколько короче, а второй - несколько длиннее полуволны), обеспечивается однонаправленное излучение на зеркало. Фазовый центр лежит между вибраторами.

На практике действие неравномерности облуче­ния зеркала либо утечки энергии облучателя за его края бывает значительнее, чем это учтено в приближенном расчете, результаты которого приводились. К тому же нужно принимать во внимание фазовые отклонения, вызываемые неточностью изготовления зеркал. Поэтому обычно не удается достигнуть указанного выше максимального значения x=0,83. При допустимых фазовых отклонениях коэффициент использования может составлять

Облучатели для параболи­ческих цилиндров могут состав­ляться из нескольких полувол­новых вибраторов, располагае­мых на фокальной линии. Это, в частности, могут быть щеле­вые вибраторы, питаемые вол­новодом.

Параболическое зеркало может использоваться в качестве антенны в весьма широком диапазоне частот, который снизу ограни­чивается уменьшением относительных размеров раскрыва и усиле­нием краевых эффектов, а сверху - трудностью соблюдения тре­буемых допусков конструкции. Поэтому рабочая полоса антенны оп­ределяется условиями согласования с линией передачи. При этом существенна «реакция зеркала» на облучатель. Предположим, что облучатель был согласован с линией без зеркала. Тогда в результа­те отражения от зеркала в питающей линии появится обратная волна, т. е. возникнет некоторое рассогласование. Если же облуча­тель согласован при наличии зеркала на фиксированной частоте, то реакция зеркала проявится при частотных отклонениях. В ряде случаев используются различные приемы частичного устранения реакции зеркала. Например, делается отверстие в его средней части (рис.11а) или помещается там металлический диск (рис. 11б). Диск при расстоянии от зеркала около четверти волны создает (как пассивная антенна) поле излучения, находящееся в противофазе с полем, подлежащим компенсации; нужная интен­сивность излучения диска достигается подбором его размера. Впрочем, существуют приближенные формулы для диаметра диска d, и его расстояния от зеркала а (см. рис.11,), при которых ком­пенсация реакции зеркала должна быть наилучшей:

Для устранения реакции зеркала облучатель может быть также вынесен из области раскрыва (рис. 11в).

Путем поперечного смещения облучателя из фокуса осущест­вляется качание луча параболической антенны. Это схематически показано на рис. 12. Вообще процесс сопровождается расширени­ем основного максимума и увеличением бокового излучения, но при небольших углах качания указанные побочные эффекты невелики.

Рис. 12 Рис. 13

Отметим еще, что для облегчения веса и уменьшения действия ветра антенные зеркала часто делают решетчатыми, перфорирован­ными и т. п. (рис.13). При этом необходимо, чтобы решетка содержала металлические элементы, параллельные вектору Е, а расстояние между ними было существенно меньше половины длины волны. Некоторое представление о действии промежутка между элементами решетки или также отверстия в листе дает аналогия с коротким участком запредельного волновода: излучение проходит через зеркало с отверстиями, но значительно ослабляется. Обычно для оценки действия решетчатых и подобных зеркал пользуются решениями задач дифракции на бесконечных плоских периодиче­ских системах.

5. Другие зеркальные антенны

Стремление улучшить параболические зеркальные антенны, а также расширить их функции или добиться некоторых специальных эффектов привело к созданию целого ряда зеркальных антенн разных типов. Рассмотрим некоторые из них.

К числу зеркальных следует отнести рупорно-параболи­ческую антенну (рис.14а), которая образована частью поверх­ности параболоида вращения, соединенной с пирамидальным рупо­ром, так что его фазовый центр находится в фокусе зеркала. В этой конструкции осуществлено полное "вынесение облучателя из поля излучения зеркала и очень мало обратное излучение за края рас­крыва. Рупорно-параболическая антенна имеет коэффициент ис­пользования раскрыва порядка х=0,65÷0,75. Это - совершенная и сравнительно простая "конструктивно, но несколько громоздкая антенна: угол раскрыва рупора должен составлять 30÷45°, что при практически используемых размерах раскрыва приводит к зна­чительным размерам всей антенны

Основными достоинствами рупорно-параболической антенны являются широкий рабочий диапазон частот, в пределах которого обеспечивается весьма высокая степень согласования с питающей линией, и чрезвычайно низкий уровень бокового и обратного излу­чений. Рабочий диапазон рупорно-параболических антенн ограни­чивается снизу только размерами поперечного сечения питающего волновода, а сверху - точностью выполнения отражающего пара­болического зеркала. В настоящее время известны, например, рупорно-параболические антенны, используемые в диапазоне 3000 ÷11 000 Мгц. Коэффициент отражения от входа антенны не превышает при этом 1,5-2%.

Низкий уровень задних лепестков рупорно-параболических антенн является весьма ценным качеством в условиях радиорелейной линии, где этим определяется хорошее «защитное действие» антенны. Например, при кнд порядка 40 дб уровень задних лепест­ков может быть около 70 дб. Следует подчеркнуть, что обычные параболические антенны при таком же кнд имеют задние лепестки порядка 50 дб. Благодаря низкому уровню боковых и задних лепестков переходное затухание между двумя соседними рупорно-параболическими антеннами очень велико.

На рис. 14б схематически изображена сегментно параболическая антенна в двух вариантах питания.

Антенна образована поверхностью параболического цилиндра и двумя близко расположенными плоскостями. Облучателем может слу­жить открытый конец волновода или вертикальный вибратор, сое­диненный с коаксиальной линией и снабженный контррефлекто­ром. Если электрический вектор перпендикулярен плоскостям, между ними возбуждается волна ТЕМ, а при параллельном пло­скостям электрическом поле - волна Н 01 .Чтобы высшие поля заведомо отсутствовали, расстояние между плоскостями в первом случае не должно превышать l/2, а во втором - lа. На рис.14в показано применение сегментно-параболической антенны в каче­стве облучателя зеркала в виде параболического цилиндра.

Зеркальные антенны применяются при построении так называе­мых перископических систем. У подножия мачты располагается параболическое зеркало, излучение которого на­правлено в зенит и отражается в горизонтальном направлении помещенным на мачте плоским зеркалом. Очевидно, что такая система может использоваться вместо того, чтобы помещать параболиче­ское зеркало на вершину мачты, для чего требуется вести туда длинный волноводный тракт.

При построении перископических систем находит также при­менение принцип фокусировки. Поскольку - в аспекте геометрической опти­ки такое зеркало обладает свойством концентрировать излуче­ние в одном из фокусов, когда в другом находится точечный ис­точник, то на практике один из фокусов совмещают с фазовым центром облучателя эллипсоида, а в области другого располагают переизлуча­тель. Благодаря фокусировке по­вышается кпд передачи от излу­чателя к переизлучателю (умень­шается «переливание» энергии за края переизлучателя), что ве­дет к возрастанию коэффициента усиления перископической системы. Принцип фокусировки может быть реализован и иным путем: «сужение» потока энергии в области переизлучателя достигается и при параболическом излучателе при вынесении первичного облу­чателя из фокуса параболоида. Дальнейшее улучшение перископи­ческой системы может быть достигнуто, если вместо плоского пере­излучающего зеркала взять параболическое.

В связи с проблемой качания луча в широком угле возрастает роль сферических зеркал. Сферическая поверхность в неко­торой части близка к параболической, так что при облучении ее близко расположенным источником формируется относительно узкий отраженный луч. На рис.15а показано два расположения облучателя вблизи сферической поверхности; направления форми­руемого луча обозначены стрелками. Вращение облучателя отно­сительно центра сферы вызывает поворот луча на тот же угол, причем в силу неизменности условий отражения (в пределах опре­деленного угла качания) ширина луча практически не меняется. Однако коэффициент использования поверхности зеркала оказы­вается низким.

Он зависит от вида характеристики направленно­сти облучателя (оптимальное расстояние которого от поверхности зеркала подбирается) и от угла качания.

Усовершенствование зеркаль­ной сферической антенны дости­гается на пути превращения ее в двухзеркальную антенну. В качестве облучателя берется зеркало специальной формы, об­лучаемое обычным «точечным» источником, характеристика на­правленности которого теперь уже не играет определяющей ро­ли, поскольку форма облучающе­го зеркала выбирается с тем рас­четом, чтобы при отражении от сферы формировался плоский фронт волны. Двухзеркальная сферическая антенна схематически изображена на рис. 15б

Различные двухзеркальные антенные системы в настоящее время играют важную роль. Используя принцип оптического телеско­па Кассегрэна, помещают перед параболическим зеркалом в каче­стве контррефлектора гиперболическое (рис. 16а). Фазовый центр облучателя совмещается с фокусом гиперболы F, и вследствие этого лучи, отраженные от гиперболического зеркала, можно рассматривать как идущие из расположенного за ним «вир­туального фокуса» F", который, как это понятно, должен совпадать с фокусом параболического зеркала. Облучатель (рис.15б) обыч­но представляет собой рупор, вмонтированный в основное зеркало. Если облучатель значительно больше длины волны, то по правилам геометрической оптики можно построить его изображение в гипер­болическом зеркале - «виртуальный облучатель», который показан на рис.15б пунктиром; изображение оказывается уменьшенным. Чтобы затенение пространства гиперболическим зеркалом было минимальным, размеры системы выбирают приблизительно так, что угол, под которым края облучателя видны из виртуального фокуса, близок к углу, под которым из центра параболического зеркала видны края гиперболического зеркала (в этом условии учитывается возможность затенения основного зеркала облучателем), рис.15в.

Двухзеркальная антенна типа Каесегрэна отличается рядом положительных качеств. Она удобна по конструкции и, в частности, дает возможность располагать подключаемую аппаратуру непо­средственно за зеркалом, избегая длинной линии передачи. Облу­чение зеркала производится сравнительно равномерно с быстрым спаданием интенсивности у краев, поскольку при отражении луча от облучающего гиперболического зеркала интенсивность умень­шается с ростом угла по отношению к оси системы. Таким образом, рассеяние сосредоточено, главным образом, в переднем полупро­странстве; уровень задних лепестков диаграммы невелик. Как уже отмечалось, это обстоятельство может быть важным ч в ряде применений, например в радиорелейных линиях. Приемная антен­на с малыми задними лепестками может быть «малошумящей» в результате малой чувствительности к излучению земли.

Выше рассмотрена лишь одна из распространенных двухзеркальных антенн типа Каесегрэна. Существуют различные модифи­кации таких антенн. Отметим, например, что вместо гиперболиче­ского контррефлектора может применяться плоский.

Итог

Зеркальные антенны - антенны, в которых для фокусирования высокочастотной электромагнитной энергии используется явление зеркального отражения от криволинейных металлических поверхностей (зеркал). По размерам зеркало значительно превосходит длину волны. Основные модификации Зеркальные антенны определяются количеством отражателей: известны одно-, двух- и трёхзеркальные антенны. Конструктивно зеркальные антенны выполняют в виде металлических или металлизированных поверхностей различной формы. Для снижения массы зеркал и уменьшения давления ветра (парусности) на их поверхность зеркала нередко изготавливают не из сплошного материала, а из сетки проводов или параллельных пластин, а также из перфорированных металлических листов. Применяют зеркальные антенны следующих типов: параболические антенны, Кассегрена антенны, рупорно-параболические антенны, сферические антенны, перископические антенны, зеркальные апланатические антенны и другие.