Ajuste geométrico de antena Paraboloidal
José Luis Valbuena Durán(1) y Esther Oñate Pizarro(2)
(1)
Ingeniero Técnico en Topografía. Instituto de Astronomía y Geodesia (CSIC-UCM),
Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Topográfica de Madrid (UPM). e-mail:
elvalbu@yahoo.es
(2)
Ingeniera Técnica en Topografía. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Topográfica
de Madrid (UPM). e-mail: epizarro@ozu.es
RESUMEN
Se describen los trabajos realizados en la antena de 32 GHz, VIL-4, de la European Space Agency, en Villafranca
del Castillo, Madrid. Es un claro ejemplo de Aplicación Industrial de la Topografía, en el que se han empleado
técnicas, útiles y metodologías especiales para hacer el estudio de flexión de la estructura y el ajuste y alineación
del paraboloide principal de 12 m de diámetro, del reflector secundario y de los feeders de RF.
1. PLANTEAMIENTO
En la estación de seguimiento espacial de la EUROPEAN SPACE AGENCY (ESA) de Villafranca del Castillo,
Madrid, existe una antena llamada VIL-4 (foto 1-1), que es una antena tipo TEST BED, destinada a la prueba de nuevas
tecnologías. Actualmente está ocupada en el seguimiento del satélite SMART-1, de órbita lunar.
INDRA ESPACIO S.A., necesitaba que, entre otras actividades, se realizaran ciertos ajustes geométricos en esta
antena, labor que nos fue encomendada. Nuestras actuaciones comenzaron en enero de 2003 y se dilataron hasta mayo de
2004. INDRA ESPACIO S.A., solicitó ciertos ajustes geométricos en la antena
En esta ponencia describimos el trabajo que realizamos, plenamente en el campo de las aplicaciones industriales de
la Topografía. Creemos que es interesante la divulgación de los útiles y las metodologías especiales que hemos empleado,
algunas de ellas nuevas. Podremos citar los útiles y metodologías especiales citados, cuya propiedad intelectual poseemos,
las morfologías, las tolerancias y los datos genéricos, aunque no podemos hacerlo con los resultados, que pertenecen a
INDRA.
2. DESCRIPCIÓN DE LA ANTENA
La antena SIEMENS KRUPP es de tipo Cassegrain, con el sistema de radiofrecuencia (RF), o FEEDER, en el
centro del reflector principal. El FEEDER posee dos antenas tipo HORN: una central, para la banda X, y otra, lateral y
paralela a la anterior, para la banda Ka; en adelante la HORN X y la HORN Ka. La HORN X define el eje del sistema de
radiofrecuencia. Empleamos el género femenino para las HORN porque son antenas; además, su traducción en ingles es
bocina, a las que se asemejan, por ser cónicas.
La superficie del reflector principal, de 12 m de diámetro, está constituida por 60 placas independientes. El
subreflector, de 2 m de diámetro, es enterizo. El diámetro del anillo interior del reflector principal (zona para el FEEDER)
también es de 2 m. Como dato anecdótico podemos añadir que las placas son denominadas en el argot de los técnicos
montadores de antenas como "pétalos", dado su parecido morfológico con los de las flores.
El soporte o montaje es un clásico altacimutal, con base y yugo. El eje que permite variar la orientación de la
antena se llama eje de orientación, y debe estar vertical. El eje que permite variar la elevación de la antena se llama eje de
elevación, y debe ser perpendicular al eje acimutal; por tanto, debe estar horizontal.
Los lados derecho e izquierdo son mirando de frente a la antena cuando está a 0º de elevación
En el lado derecho de la antena, sobre el yugo, y adosada al cojinete derecho, está la cabina de equipos (en adelante
cabina), desde la que se accede a la cámara central de elevación (en adelante cámara), en donde se cruzan los ejes de la
antena.
Cada uno de los dos ejes dispone de un decodificador goniométrico (encoder) que puede ofrecer continuamente los
valores de referencia de acimut y elevación sobre el horizonte, del eje radioeléctrico de la antena.
2-1. DEFINICIÓN GEOMÉTRICA
1
El eje radioeléctrico de la antena está definido por tres ejes que deben ser coincidentes: el del reflector principal, el
del subreflector y el de la HORN X del FEEDER, en adelante eje del sistema de RF.
El reflector principal y el subreflector de este tipo de antenas deben ser figuras de revolución generadas por curvas
de definición analítica establecida y conocida. A pesar de lo que pudiéramos creer, y aunque lo parece, la curva generatriz
nunca es exactamente la de una parábola, por lo que para el ajuste no se dispone de una ecuación sino de un listado
bidimensional de la definición cartesiana de esta curva (abscisas y ordenadas), definición que es discreta; en este caso, con
intervalos de 10 cm.
Es importante considerar que el eje de la antena debe pasar por el ápex o vértice del paraboloide (que, además, es el
punto concéntrico de todos los anillos en los que están distribuidas las placas). Si el eje de la antena no pasara por el ápex del
paraboloide, la definición analítica de la curva generatriz sería inaplicable.
Como la estructura se deforma por flexión al inclinarse, el usuario normalmente establece la elevación a la que
desea que estas condiciones se cumplan. En este caso concreto, era a 30º.
3. SOLICITUDES OBJETO DEL TRABAJO
La antena, construida a finales de la década de los 70, había estado operando en banda decimétrica. Como se
deseaba que operase en banda X y Ka (ésta última, para λ de 9,4 mm), hubo de cambiarse el FEEDER antiguo por otro
adecuado a las nuevas frecuencias, y readaptar -prácticamente, reconstruir- la antena para su servicio operativo. Todo era
más crítico.
La tolerancia lineal en el ajuste de las superficies radiorreflectantes de una antena paraboloidal y entre los
elementos (reflector principal, subreflector y FEEDER) se estima habitualmente como un 10% de la λ de servicio, por lo que
el ineludible reajuste general, debía hacerse más finamente. Con la anterior banda, la tolerancia era de unos 10 mm, mientras
que ahora sería menor de 1 mm.
Los espárragos roscados que unían las placas a la estructura se habían cambiado por otros de paso más fino -para
poder afinar en el ajuste-, por lo que todas las placas habían debido ser desmontadas y luego montadas en su posición
original, pero lógicamente quedaron desajustadas. El subreflector se había desmontado porque debían cambiarse algunos
mecanismos de su anclaje. El FEEDER original no valía y hubo que hacer otro nuevo; además, doble, para las dos nuevas
frecuencias deseadas.
La ESA, de ámbito internacional, era la propietaria de la antena y deseaba su puesta en servicio con la nueva
configuración. Había contratado en diversas empresas europeas los trabajos de reconstrucción, la readaptación y los ajustes
necesarios.
En lo que respecta a lo expuesto en esta ponencia, sólo es relevante saber que el ajuste radioeléctrico del FEEDER
se haría en Italia y que todo el ajuste restante lo haría INDRA, salvo el ajuste de los paneles del reflector principal, que haría
la empresa alemana VERTEX, basándose en cuatro paneles que INDRA debía dar ajustados.
La antena debía cumplir -recordemos que a 30º de inclinación- las condiciones que hemos descrito en el apartado
DEFINICIÓN GEOMÉTRICA. La secuencia de las labores que INDRA nos encomendó comprendía:
· Apoyo al diseño del FEEDER.
· La alineación de las HORNs del FEEDER.
· La preparación del subreflector para que pudiera ser alineado cuando se volviera a montar en la antena.
· El ajuste de cuatro paneles del reflector principal, en los que se basaría el ajuste fotogramétrico de los
restantes.
· La definición del eje definitivo de la antena, colocando el RF FRAME en su adecuada posición mediante
ajuste con la TILT TABLE.
· La situación y la orientación del subreflector ya montado.
· La validación del ajuste a 30º.
2
Para las referidas labores debíamos partir de cero. Recordemos que la situación inicial era que la antena tenía
completamente desajustado el reflector principal y estaba sin subreflector y sin FEEDER. Realmente sólo existía una
estructura, con sus ejes de orientación y elevación, en la que estaban presentados, sin rigor alguno, los paneles del reflector
principal. Al no estar éste configurado ni existir subreflector ni FEEDER, no es que no estuviera definido el futuro eje de la
antena, es que era inexistente. Todo el planteamiento técnico debía fundamentarse en la necesidad de disponer de un eje
coherente con la estructura, que era lo único disponible. Debíamos proyectar qué hacer antes de definir el eje, cómo hacer su
definición, y qué labores debíamos realizar con posterioridad.
4. INSTRUMENTACIÓN
Hemos empleado instrumentos de medida de ángulos, de desniveles y de distancias, así como elementos de
puntería y equipo auxiliar.
Verificamos y, en su caso, corregimos, todo el instrumental susceptible de ello, tanto inicialmente como siempre
que lo consideramos procedente por el lapso de tiempo transcurrido.
4-1. MEDIDA DE ÁNGULOS
Hemos utilizado tres teodolitos WILD T2: dos automáticos y uno no automático.
En las condiciones de este trabajo, la precisión real de estos instrumentos en la determinación de direcciones es del
orden de ±3cc en observación aislada y con observador experto. La precisión angular se corresponde paralelamente con la
capacidad de alineación del instrumento, porque es la precisión con la que es capaz de establecer una dirección en el espacio
respecto a un sistema de referencia establecido unívocamente.
Esto quiere decir que a las distancias horizontales máximas de observación en esta antena -nunca superiores a 6 m-,
el paralaje lineal correspondiente a la máxima resolución angular es menor de 0,03 mm (claramente mejor que la definición
física de las señales observadas o que la propia estabilidad de la estructura). Como las tolerancias establecidas son entre uno
y dos órdenes superiores, es evidente que es acertada la elección de este tipo de teodolito.
Dos de los T2 eran de eclímetro automático, que hace siempre la medición de ángulos verticales respecto al cenit
(cenitales). Lo denominaremos Teodolito-G, (por medir ángulos verticales respecto al vector gravedad local G) o
simplemente teodolito, cuando no necesitemos diferenciarlo expresamente del otro modelo de T2, que ahora describimos.
El T2 restante no era de eclímetro automático, sino el antiguo modelo no automático, de ajuste manual. Hace la
medición de ángulos verticales de forma absoluta respecto a la línea de índice 0 - 200g del limbo vertical. En uso normal,
manipulando el tornillo de ajuste a tal efecto dispuesto (tornillo de eclímetro), se cala el nivel tórico de eclímetro y la línea se
hace coincidir con el vector gravedad local; entonces, los ángulos leídos son cenitales. Dada la metodología especial que
puede emplearse con él, lo denominaremos Teodolito-A (de Absoluto).
Utilizamos oculares acodados, que ofrecen mayor comodidad cuando el instrumento está estacionado a poca altura,
y que son imprescindibles para observaciones hacia el cenit.
Para el estacionamiento de los instrumentos en zona limpia y para las verificaciones, utilizamos dos trípodes, y para
el estacionamiento del Teodolito-G sobre la superficie del yugo, una placa de estacionamiento (comúnmente, basada).
4-1-1. ÚTILES ESPECIALES
Tuvimos que diseñar y construir un útil especial, acoplable al Teodolito-A, que aplicase con resortes una fuerza
coaxial a su eje y dirigida hacia la base nivelante (útil vectorial) para eliminar la holgura vertical del eje principal del
Teodolito-A y permitir que trabajara inclinado. Complementamos el vectorial con una placa base para anclaje de los
resortes. El diseño, construcción y adaptación final fueron muy difíciles, especialmente por lo exiguo del espacio disponible,
ya que debía permitir que el teodolito hiciera visuales cenitales con ocular acodado.
También diseñamos y controlamos la construcción de una base para teodolito, instalable en la boca de la HORN X,
en el extremo más cercano al subreflector (base HORN), y una pieza, con una señal traslúcida de puntería -para ser
retroiluminada en la observación-, adaptable a la base opuesta de la HORN; ambas perfectamente centradas con el eje X
HORN. La base de teodolito para la boca de la HORN X tenía el mismo ajuste cónico para centrado de instrumento que la
base para estacionamiento del THEODOLITE FRAME
3
4-2. MEDIDA DE DESNIVELES
Para la medición del residual de ortogonalidad entre ejes de antena empleamos un nivel (técnicamente
equialtímetro, como sabemos) optomecánico de precisión LEICA NA2, con retículo de cuña y micrómetro de placa
planoparalela. La estabilización de su línea de colimación es de 0,3", conseguida mediante compensador automático.
En las distancias de trabajo a las que hemos empleado este nivel en la antena, la resolución altimétrica real es del
orden de 0,04 mm (mejor que la definición física de las señales observadas).
Para la medición de alturas y desniveles en las placas y en el reflector secundario (cuando estaba desmontado)
hemos empleado una mira especial, denominada mira ligera. Está constituida por dos tramos enchufables de tubo cuadrado
de aluminio, en cuyo extremo superior está sujeto un flexómetro ordinario. En el extremo inferior se sujeta el final de la
cinta, que se apoya sobre la señal. La cinta de acero se mantiene en tensión por el muelle de retorno del flexómetro. Está
provista de un nivel esférico para garantizar su verticalidad. Como la escala está dividida en milímetros es posible apreciar a
estima 0,1 mm.
Aunque normalmente la mira ligera se utiliza apoyando su base sobre la parte superior de la señal, puede ser
equipada con un palpador invertido para apoyar de forma ascendente en la parte de abajo de la pieza o señal de que se trate,
en lugar de en la parte de arriba, como es habitual.
4-3. MEDIDA DE DISTANCIAS
La curva generatriz del reflector principal está definida por abscisas y ordenadas, con origen en el ápex, siendo el
eje de ordenadas el principal; en este caso, sin especificar a qué temperatura, aunque lo habitual en casos similares es que sea
a 20 ºC.
La distancia nominal absoluta establecida entre elementos de la antena sólo puede coincidir con la real a una
temperatura concreta. Por ello, para medir cualquier distancia en la antena se debe utilizar un patrón dimensional cuyo
coeficiente de dilatación coincida con el de la estructura portante. Como la estructura en este caso es de acero, debe utilizarse
una cinta metálica de acero. No debe utilizarse, como es oportuno en otras aplicaciones, una cinta o patrón de invar o de
cuarzo, porque entonces habrían de aplicarse correcciones térmicas diferenciales.
El coeficiente de dilatación del acero es de 10 ppm*/ ºC y el del invar o el cuarzo, de 1 ppm/ ºC; por tanto, el
diferencial sería de 9 ppm/ ºC. Si en los 12 m de diámetro se utilizara un patrón invar, para una pequeña diferencia térmica
de sólo 5 ºC habría que aplicar una corrección de 0,54 mm.
Hemos medido las distancias con una cinta de acero CHESTERMAN TREBLE SHEFFIELD (en adelante cinta),
de 10 m. Su contraste periódico se hace bajo tensión de 60 N, medida con dinamómetro, por lo que la corrección por
catenaria, aun siendo irrelevante (muy inferior a 0,1 mm), queda incluida.
Para la contrastación utilizamos la Base Geodésica de los Laboratorios del Instituto de Astronomía y Geodesia
(CSIC-UCM), con autocentrado radial, cuyo valor se actualiza periódicamente con el distanciómetro láser submilimétrico
MEKOMETER ME-5000. La constante del instrumento se establece en la Base Lineal Multipunto de la Escuela de
Ingeniería Técnica Topográfica de Madrid (UPM), también con autocentrado radial. El patrón para la medida de frecuencia
moduladora es el máser de hidrógeno del Laboratorio de Metrología de la Estación Espacial de Robledo de Chavela
(INTA - NASA - JPL), en Madrid. Aunque sin significación en la medición de la base en el Laboratorio, los parámetros
meteorológicos se establecen con instrumentos calibrados periódicamente en los laboratorios del Instituto Nacional de
Meteorología.
4-4. ELEMENTOS DE PUNTERÍA
Utilizamos blancos autoadhesivos de puntería, realizados con una impresora CASIO EZ LABEL PRINTER
KL-2000, así como diversos espejos especiales de autocolimación, de máxima planitud; uno, reversible.
5. METODOLOGÍAS ESPECIALES
*
"ppm" significa "partes por millón", o lo que es más conceptual, milímetros por kilómetro.
4
Debemos mencionar fundamentalmente tres: la nivelación transversal numérica rigurosa, la goniometría vertical
absoluta y la autocolimación externa.
5-1. NIVELACIÓN TRANSVERSAL NUMÉRICA RIGUROSA
La Nivelación Transversal numérica Rigurosa (NTR) permite cuantificar los residuales de verticalidad del eje
principal de un Teodolito-G, es decir, con eclímetro automático y midiendo ángulos verticales respecto al vector gravedad
(cenitales).
Con un teodolito en estas condiciones, y para una dirección concreta, la NTR consiste en medir ángulos cenitales
Zd y Zi en posiciones de la alidada que difieran en 180º, pero sin cambiar el ángulo α del anteojo respecto al eje principal
(gráfico 1).
La diferencia de los cenitales leídos en estas posiciones es el doble de la componente residual ε de inclinación del
teodolito respecto a la dirección de la gravedad, en la dirección concreta de medida, esto es, en el plano vertical
perpendicular al eje secundario o de muñones del instrumento. El proceso se repite en un plano ortogonal, obteniendo así las
dos componentes que definen el residual.
La precisión obtenida al medir inclinaciones respecto al vector gravedad puede ser muy buena, debido a la alta
sensibilidad (0,3") del perpendículo automático del teodolito.
Esta técnica es especialmente adecuada para calcular el residual de verticalidad del eje de una estructura giratoria,
utilizándolo como virtual eje principal del teodolito (gráfico 2). Para mayor redundancia, en lugar de hacer lecturas cada 90º
pueden hacerse medidas en intervalos angulares discretos -submúltiplos de 90º-, pudiéndose obtener la correspondiente
gráfica senoidal y estudiar excentricidades, desvíos y otras anomalías. Esta variante de la NTR se llama NTR de eje externo.
5-2. GONIOMETRÍA VERTICAL ABSOLUTA
Permite medir ángulos verticales respecto al eje principal del teodolito, en lugar de respecto al vector gravedad
local, como es habitual.
Se utiliza con el Teodolito-A (Absoluto), que es el teodolito no automático, es decir, con nivel de eclímetro.
Para el ajuste instrumental, se hacen lecturas cenitales en ambas posiciones del instrumento (círculo directo CD y
círculo inverso CI) a un punto lejano y bien definido, pero sin tocar el tornillo de eclímetro. Se calcula el cenital corregido.
Manteniendo la puntería al punto elegido, se hace coincidir el valor de este cenital corregido manipulando el tornillo de
coincidencia que sirve para calar el nivel del eclímetro -nivel que se ignora en todo el proceso, al igual que los demás:
esférico y tórico principal-.
Tras iterar el proceso, la línea de índice 0 - 200g del limbo vertical será paralela al eje principal del Teodolito-A, por
lo que medirá ángulos verticales respecto a este eje, careciendo de error de colimación.
Un instrumento ajustado como se ha descrito podría usarse como goniómetro absoluto en una estación espacial sin
gravedad (al margen de sus holguras mecánicas).
Los ángulos verticales referidos al eje principal del instrumento, medidos con un el Teodolito-A ajustado de esta
forma, se denominan "acenitales", para diferenciarlos de los "cenitales" clásicos, referidos al vector gravedad.
Para esta actuación, en el Teodolito-A así preparado hicimos una rigurosa verificación y corrección de la plomada
óptica. Su base nivelante fue la única montada en la antena, recibiendo indistintamente el Teodolito-A o el -G.
5-3. AUTOCOLIMACIÓN EXTERNA
Esta técnica, también denominada autorreflexión, es funcionalmente equivalente a la autocolimación convencional,
aunque más cómoda, flexible y barata. La única modificación instrumental necesaria consiste en instalar un pequeño blanco
adhesivo de puntería, aproximadamente en el centro del objetivo del anteojo del teodolito que deba hacer la autocolimación.
La imagen visada es la del blanco, reflejada en un espejo.
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En el gráfico 3 hemos esquematizado el eje de colimación pasando por el eje principal del teodolito. El error ε,
conjunto de colimación propia y presentación de blanco, se compensa al observar en ambas posiciones del instrumento,
siendo la bisectriz de ambas visuales, perpendicular al espejo. Esto es tanto para la medida de ángulos horizontales como
verticales. Aunque sólo hemos ilustrado la primera, es equivalente para la segunda.
En adelante la denominaremos autocolimación, a secas.
6. ACTUACIONES
El ajuste geométrico de la antena debía ser perfecto cuando estuviera a 30º de elevación. Tras la realización de todo
el trabajo, los ajustes realizados se debían validar a 30º.
Las fases del proyecto completo fueron numerosas y se prolongaron durante casi año y medio, incluyendo
frecuentes pausas. Detallaremos esencialmente las fases en las que actuamos, aunque, para mejor comprensión del proceso,
describiremos someramente las intermedias.
El proceso empezó con la fabricación del FEEDER y accesorios. Tras la toma de medidas en la antena para
determinar la posición de las estructuras a construir y dimensionarlas adecuadamente, INDRA diseñó y construyó las
siguientes:
· La MECHANICAL STRUCTURE, que se soldó en la cámara elevación, y es el soporte del sistema de
RF.
· La TILT TABLE, que actúa como interfaz ajustable entre la MECHANICAL STRUCTURE y el sistema
de RF. Hicimos su diseño funcional, ofreciendo cuatro grados de libertad, aunque no intervinimos en su
construcción.
· El RF FRAME, auténtico sistema de RF, que posee la HORN X central, la Ka lateral y los dos espejos de
radiofrecuencia (espejos RF) con montaje periscópico: principal, o dicroico, y secundario o elíptico. Además de los
elementos mecánicos descritos, hay multitud de componentes radioeléctricos más, pero no afectan para el ajuste
geométrico.
· El THEODOLITE FRAME, estructura auxiliar, sustituta del RF FRAME, que sólo sirve para montar
centradamente un teodolito. Su construcción se hizo a pedido nuestro y según nuestras indicaciones.
Para mejor comprensión: en el hueco central de la antena está soldada la MECHANICAL STRUCTURE, sobre la
que se atornilla la TILT TABLE, que es como una especie de base nivelante que incluye desplazamientos. Sobre ésta se
monta ya el RF FRAME, una placa que porta son las auténticas antenas de bocina. Cuando el RF FRAME no estuvo
disponible se montó en su lugar el THEODOLITE FRAME, donde pudimos estacionar un teodolito como si lo hiciéramos en
el RF FRAME, algo esencial para poder desvincular las labores de ajuste metrológico en la antena de las simultáneas labores
de ajuste radioeléctrico del RF FRAME.
El conjunto posee los cinco grados de libertad necesarios. El sistema de tornillos de gran diámetro y fino paso de la
TILT TABLE permite los ajustes de los desplazamientos ∆X y ∆Y y de los giros αX y αY. Para permitir el ajuste del
CENTER PHASE con el RF FRAME, la HORN X, la Ka y la propia RF FRAME están montadas sobre guías longitudinales,
ofreciéndoles sus propios y diferenciales desplazamientos ∆Z.
En el eje de la HORN Ka del RF FRAME, el soporte del espejo secundario tiene dos grados de libertad: las dos
rotaciones αX y αY. La precisión de construcción hace innecesario disponer de desplazamientos ortogonales relativos ∆X y
∆Y entre HORNs.
El THEODOLITE FRAME posee, como base para estacionamiento del teodolito una placa con un orificio de
16 mm, disponiéndose del adecuado tornillo de sujeción, con ajuste cónico para un perfecto y repetible centrado. La
alineación correspondiente al eje del sistema de RF (eje X HORN en el RF FRAME) está definida por el centro del orificio
y una señal situada en una ménsula en la parte opuesta a la placa de montaje del teodolito.
Los FRAMEs son intercambiables, y el intercambio de uno por otro no debe alterar los valores de ajuste ni de
alineación, al ofrecer una muy buena repetibilidad de montaje.
6-1. TRABAJOS EN EL SUBREFLECTOR
6
Los trabajos comprendieron el desmontaje del subreflector, la instalación de útiles de alineación, otras labores
mecánicas (mecanismos en el anclaje, servomotores, etc.) y su remontaje, dejándolo preparado para su alineación.
En el ápex del subreflector hay una cubierta circular de 20 cm de diámetro, centrada en el eje y sujeta con un
tornillo también centrado. En el perímetro del subreflector hay cuatro zonas mecanizadas, a modo de escalón,
uniformemente distribuidas (en adelante asientos), definiendo un plano perpendicular al eje. Podríamos considerar
perfectamente vertical el eje del subreflector cuando los cuatro asientos de su perímetro definieran un plano horizontal.
Colocamos el subreflector en una zona limpia de las instalaciones, con su eje sensiblemente vertical y la
convexidad hacia arriba, descansando sus asientos sobre cuatro apoyos ajustables en altura con rosca fina, previamente
preparados.
Observando con el nivel LEICA NA2, y aplicando la mira ligera con el palpador invertido a la parte inferior de los
asientos (foto 6.1-1), pudimos igualar las alturas de los cuatro asientos actuando con los tornillos de los apoyos ajustables,
quedando así vertical el eje del subreflector. Como la resolución de lectura es de 0,04 mm, podemos establecer el desnivel
entre apoyos con precisión de 0,04 mm. Al ser la distancia entre apoyos de 2 m, el error residual de verticalidad no puede ser
mayor de 0,0016º.
Para la futura alineación en la antena teníamos que instalar permanentemente en el ápex del subreflector un espejo
ajustable para autocolimación perpendicular al eje del subreflector.
El soporte, cuyo diseño y construcción ya habíamos realizado, consistía en una bancada de PVC que podía
sujetarse en el ápex con el tornillo que había en su centro, antes mencionado. La bancada presentaba perpendicularmente al
eje un espejo de autocolimación, sujeto con tres tornillos de nailon -a modo de base nivelante- para el ajuste de su
horizontalidad (las dos rotaciones αX y αY).
Por su pequeño diámetro y su material radioeléctricamente transparente en casi su totalidad, este conjunto no
podría causar problemas funcionales en el uso de la antena; además, el ápex es la zona inerte del subreflector.
Montamos la bancada con el espejo de autocolimación y empezamos el proceso de ajuste respecto al eje del
subreflector, observando con dos teodolitos en dos componentes ortogonales independientes.
Habíamos diseñado y construido un útil especial que podíamos aplicar sobre el espejo del ápex mediante tres
palpadores (foto 6.1-2). Este útil presentaba un nuevo espejo de autocolimación -reversible- prácticamente perpendicular al
plano determinado por los tres palpadores.
Al observar cenitalmente en CD y CI en ambas caras del espejo obteníamos cuatro lecturas, cuya media
compensaba tanto el error de colimación como el de ortogonalidad del espejo del útil respecto a la superficie determinada
por los tres palpadores y, por tanto, de la superficie del espejo del ápex. Si el plano determinado por los palpadores es
horizontal, el espejo se presenta perfectamente vertical y la media de las cuatro lecturas cenitales es de 100g.
Empleando esta técnica desde dos teodolitos situados ortogonalmente al subreflector, uno para cada componente
(foto 6.1-3), pudimos ajustar las rotaciones αX y αY del espejo del ápex, colocando perfectamente horizontal mediante los
tres tornillos de ajuste que a tal efecto habíamos dispuesto en el diseño (gráfico 4).
Para dejar dispuesto el sistema de ajuste sólo hizo falta colocar una señal sobre el espejo del ápex, exactamente
donde era travesado por el eje del subreflector, quedando equidistante tanto de su perímetro como del borde de la cubierta
circular superior.
Finalmente, y antes de montar el subreflector en la antena, protegimos el espejo del ápex con una cobertura plástica
desmontable, sujeta con tornillos de nailon.
6-2. AJUSTE GEOMÉTRICO DEL RF FRAME
Este ajuste del RF FRAME era un paso previo al ajuste radioeléctrico. Se hizo en unos talleres especializados que
disponían de un mármol grande de taller, en el que operaba una máquina tridimensional de medida por palpación y en que
reposaba todo el conjunto.
Sobre la TILT TABLE, estaba montado el RF FRAME con ambas HORNs, el marco vacío del espejo dicroico (es
decir, sin la membrana que hace de espejo) y el espejo elíptico (gráfico 5).
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Debía conseguirse que un haz radioeléctrico incidente paralelamente al eje X HORN (la bocina más grande),
después de las dos reflexiones periscópicas fuera también paralelo al eje de la HORN Ka (la más pequeña).
Aceptando que ambos ejes no son paralelos (residualmente, al menos, ha de asumirse que no pueden serlo), la
orientación del haz incidente en la HORN Ka puede colocarse paralela a su eje, ajustando la orientación del espejo elíptico.
Si esto se cumple, la precisión de la mecanización se supone que garantiza que un rayo coincidente con el eje X HORN sea
también coincidente con el eje de la HORN Ka.
Para facilitar la comprensión del artificio que empleamos, denominaremos r-espejo a cualquier espejo
radioeléctrico y, simplemente espejo, a cualquiera óptico de autocolimación.
Pretendíamos hacer la orientación del r-espejo elíptico mediante técnicas de autocolimación, para lo que era
necesario asimilar el camino radioeléctrico al óptico. La solución fue adosar espejos a r-espejos, buscando que las
superficies de reflexión óptica y radioeléctrica fueran paralelas.
Previamente diseñamos y nos construyeron dos útiles especiales para colocar sendos espejos de autocolimación en
el marco vacío del r-espejo dicroico y en la boca de la HORN X -normal a su eje-.
Con el RF FRAME colocado en el mármol de taller, estacionamos un teodolito a unos metros del conjunto, con su
punto principal aproximadamente en la prolongación del eje X HORN (foto 6.2-1). Entonces pudimos comenzar la
alineación óptica.
Inicialmente hicimos autocolimación sobre el espejo X. Con objeto de compensar la falta residual de
perpendicularidad entre el eje X HORN y el espejo montado en el útil especial, giramos éste 180º alrededor del eje de la
HORN, haciendo observaciones en ambas posiciones. La media de las lecturas correspondía a la dirección espacial paralela
al eje X HORN, recién adquirida (gráfico 6), que denominaremos visual media.
Entonces montamos tres espejos de autocolimación: uno en el marco vacío del r-espejo dicroico, en un útil
reversible, otro sobre el r-espejo elíptico, y el último en la boca de la HORN Ka, directamente sobre su borde (foto 6.2-2).
Como era de esperar, la visual media no correspondía con la dirección de autocolimación en el espejo Ka. Para
conseguirlo sólo tuvimos que orientar el r-espejo elíptico, manipulando las dos rotaciones αX y αY del montaje altacimutal
de su soporte. Con igual finalidad que en la adquisición del eje X HORN, entre observaciones también giramos 180º el
espejo del marco del r-espejo dicroico. En el gráfico 7 ilustramos esquemáticamente el ajuste horizontal H, siendo en todo
comparable el ajuste vertical V.
Tras las necesarias repeticiones del proceso finalizamos satisfactoriamente la alineación.
Debemos resaltar lo singular y exclusivo de este ajuste por autocolimación tras cinco reflexiones.
Al terminar esta fase se envió el RF FRAME a unos laboratorios de Italia para su ajuste radioeléctrico, donde
pudieron confirmar que la orientación realizada era correcta.
Hasta su retorno, dispusimos del descrito THEODOLITE FRAME para las labores de ajuste en la antena, en el que
podíamos estacionar un teodolito como si lo hiciéramos en el eje X HORN del RF FRAME.
6-3. ESTUDIO DE FLEXIÓN
Antes del comienzo de nuestras actuaciones en la antena, se habían sustituido todos los espárragos roscados que
permiten el ajuste de los paneles sobre la estructura, por otros con paso menor para poder hacer un ajuste más fino, y se
había instalado la MECHANICAL ESTRUCTURE y la TILT TABLE en la cámara de elevación. Por solicitud nuestra,
también se habían montado cinco vigas provisionales, a modo de anclajes, para enganchar los necesarios atalajes y observar
con seguridad en el exterior la antena cuando estuviera inclinada. Quedaron rodeando el TEODOLITE FRAME (foto 6.3-1).
La antena debía quedar geométricamente ajustada cuando estuviera a 30º de elevación. Como por seguridad,
eficacia y comodidad debíamos realizar los ajustes mecánicos con la antena apuntando al cenit -90º de elevación-,
necesitábamos modelar las deformaciones por flexión de las estructuras portantes que, por efecto de la gravedad modifican
la posición y geometría, deformando tanto la del reflector principal como la del subreflector. Conociendo las deformaciones
respecto a la posición de 30º, pueden compensarse en el ajuste a 90º de elevación.
En el THEODOLITE FRAME montamos el Teodolito-A, con el que realizaríamos las medidas angulares. La TILT
TABLE no necesitaba estar aun ajustada, dado que lo buscado eran diferenciales entre las posiciones, sin importar su valor
8
absoluto respecto al eje de la antena, aún indefinido. Estacionamos el instrumento centrando ya la plomada óptica en la
referencia de la ménsula, teniendo la precaución de poner antes bajo la base nivelante la placa para anclaje de los resortes del
útil vectorial.
Para las observaciones angulares y de distancia, tanto al borde de reflector principal como al subreflector, tuvimos
que emplear los oculares acodados. Para observar con la antena inclinada montamos en el instrumento el útil vectorial (foto
6.3-2).
La observadora fue la coautora de esta ponencia, muy entrenada en observaciones especiales con teodolitos
optomecánicos. Al ser experta en espeleología y escalada, estaba plenamente capacitada para, disponiendo de los necesarios
anclajes en las vigas provisionales, a tal efecto previstas por ella, y utilizando su adecuado equipo, poder permanecer con
seguridad en el exterior de la antena inclinada (fotos 6.3-3 y 6.3-4).
La modelación, realizada en intervalos discretos de elevación, constó de tres etapas, que siempre comenzaron con
la antena en 90º de elevación.:
Etapa A- Medición de la flexión biaxial (planos X e Y) de la estructura del reflector principal a 90, 60, 30
y 0º.
Etapa B- Medición de la flexión en el plano X de la estructura del subreflector a 90, 60, 30 y 0º.
Etapa C- Medición de la flexión en el plano Y de la estructura del subreflector a 90, 75, 60, 45, 30, 15 y
0º.
Etapa A
Consistió en la medición de la flexión de la estructura del reflector principal a 90, 60, 30 y 0º, tanto en el plano X
como en el Y.
Señalizamos cuatro puntos cerca del borde del reflector principal, precisamente sobre donde cada panel tenía un
espárrago de ajuste. Las señales de dos de los puntos definían el plano X del paraboloide (visto de frente, a derecha e
izquierda) y las de los otros, el plano Y (visto de frente, arriba y abajo). No colocamos los puntos exactamente en los planos,
sino ligeramente desplazados en sentido horario porque, de estar centrados, los soportes del subreflector habrían impedido su
observación desde el TEODOLITE FRAME.
Para cada una de las cuatro señales empleamos el siguiente proceso:
1. Con la antena puesta a 90º de elevación sujetamos el cero de la cinta al borde de la antena. Apuntamos
el Teodolito-A a la señal, haciendo lecturas en el limbo vertical y en el horizontal. Después medimos la distancia
sobre la punta cónica del índice o fiel situado en el centro del anteojo, que marca el centro del instrumento.
2. Pusimos la antena a 60º de elevación. Reapuntamos el Teodolito-A al punto, repitiendo las dos lecturas
angulares y la de distancia ya especificadas.
3. Pusimos la antena a 30º de elevación, repitiendo el proceso de medida descrito en 2.
4. Pusimos la antena a 0º de elevación, repitiendo el proceso de medida descrito en 2.
5: Subimos ligeramente la antena y volvimos a ponerla en 0º de elevación.
6: Repetimos inversamente todo el proceso, observando en elevaciones de 0, 30, 60 y 90º.
Tras repetir sobre cada una de las cuatro señales el mismo proceso de observación en las cuatro elevaciones,
consideramos terminado el control de la flexión biaxial de la estructura del reflector principal.
Etapa B
Consistió en la medición en el plano X de la flexión de la estructura del subreflector a 90, 60, 30 y 0º, en sus dos
componentes: desplazamiento y giro.
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El desplazamiento lo mediríamos haciendo observaciones sobre la señal del espejo del ápex (que materializaba el
centro del subreflector). Para establecer el giro, observaríamos por autocolimación sobre el espejo.
Tras medir la distancia entre el punto principal de instrumento y el espejo, para cada componente empleamos el
siguiente proceso:
1. Con la antena puesta a 90º de elevación y el Teodolito-A dirigido en CD hacia el punto 2, apuntamos a
la señal del espejo del ápex del subreflector, haciendo lecturas acenitales. Después hicimos lecturas acenitales en
autocolimación en el limbo vertical.
2. Pusimos la antena a 60º de elevación. Reapuntamos el Teodolito-A al punto, repitiendo las dos lecturas
angulares y la de distancia ya especificadas.
3: Pusimos la antena a 30º de elevación, repitiendo el proceso de medida descrito en 2.
4: Pusimos la antena a 0º de elevación, repitiendo el proceso de medida descrito en 3.
5: Subimos ligeramente la antena y volvimos a ponerla en 0º de elevación.
6: Repetimos inversamente todo el proceso, observando en elevaciones de 0, 30, 60 y 90º.
Tras repetir en cada una de las cuatro elevaciones la medición de desplazamiento y giro consideramos terminado el
control de la flexión del subreflector en el plano X.
Etapa C
Fue en todo idéntica a la Etapa B, aunque realizando la medición en el plano Y, y con la única diferencia de que, en
vez de hacer las mediciones sólo a 90, 60, 30 y 0º, las hicimos a 90, 75, 60, 45, 30, 15 y 0º, dado que en este plano las
deformaciones son mayores y, para su modelación, preferimos discretizar en intervalos menores.
Tras repetir en cada una de las siete elevaciones la medición de desplazamiento y giro consideramos terminado el
control de la flexión del subreflector en el plano Y.
Dispersión
Duplicamos todas las observaciones de cada etapa, haciéndolas primero bajando, y después, subiendo. La
dispersión entre los valores obtenidos para cada medida concreta nos permitió evaluar la repetibilidad de reposicionamiento,
enmarcándola en sus valores máximos al comparar posiciones iguales alcanzadas en sentidos distintos de movimiento;
además, también se pondría de manifiesto cualquier histéresis existente (la podrían causar posibles holguras).
Aunque con la instrumentación empleada pueda apreciarse, por ejemplo, en borde de antena, ±0,05 mm, el valor de
flexión obtenido varía en función de los siempre superiores de repetibilidad, que inevitablemente limitan la precisión con la
que podemos establecer los mencionados valores de flexión.
Los valores de repetibilidad ofrecidos eran sólo auxiliares del estudio de flexión. Obviamente habrían sido
necesarias muchas más observaciones para hacer una determinación plenamente representativa de la repetibilidad o la
histéresis. La determinación actual, aunque expedita, podíamos considerarla suficientemente orientativa.
Con posterioridad a todo este estudio de flexión, los técnicos de la ESA detectaron que los servomotores de
inclinación de la antena tenían consumos diferentes al subir que al bajar, lo que significaba que el centro de gravedad del
conjunto reflector-subreflector no coincidía con el eje de elevación. Para conseguir un mejor equilibrio, aligerando el
conjunto en la zona adecuada, desmontaron el revestimiento posterior de los paneles y los elementos calefactores del
reflector principal.
Como los datos obtenidos en el estudio de flexión del reflector principal podían no ser fiables al haber variado la
masa soportada por la estructura sometida a flexión por efecto de la gravedad, nos solicitaron repetir el estudio.
Repetimos la Etapa A porque la flexión biaxial de la estructura del reflector principal podría haber variado, pero no
repetimos el estudio de flexión del subreflector (Etapas B y C) porque su estructura portante es independiente de la del
reflector principal.
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6-4. RESIDUALES DE EJES
Teníamos que medir los dos residuales de los ejes mecánicos de la antena: el de verticalidad del eje de orientación
(verticalidad) y el de ortogonalidad entre este eje y el de elevación (ortogonalidad). Aprovechamos la medición de
ortogonalidad para señalizar de forma observable el eje de elevación. Todo ello lo realizamos con la antena a 90º de
elevación.
Verticalidad
Empleamos la descrita NTR de eje externo para medir el residual de verticalidad del eje vertical del yugo de la
antena, en cuya parte superior central, en un punto cualquiera sobre la propia estructura (lo bastante sólido, eso sí),
estacionamos el Teodolito-G, mediante la basada. Luego hicimos medidas cenitales cada 10º, en un giro completo de 360º,
pudiendo establecer así el residual de verticalidad del eje de acimut, tanto en magnitud como en dirección, y confeccionar el
correspondiente cuadro de valores.
Ortogonalidad
El eje de elevación del yugo tiene dos cojinetes, en el lado de la cabina, o derecho, y el opuesto, o izquierdo. Para
hacer las medidas era necesario poder observar sobre ambos cojinetes con un nivel estacionado en la cámara central de
elevación. Empleamos el mencionado LEICA NA2.
Tras quitar en el lateral izquierdo de la cámara de elevación la tapa que cubría un orificio situado en el eje,
podíamos ver el cojinete del lado izquierdo, en el que colocamos el útil de centrado utilizado en anteriores mediciones
-suministrado por INDRA-, provisto de la adecuada señal transparente de observación.
El cojinete del lado derecho no era visible desde la cámara, al interponerse un conducto de climatización de la
cabina, lo que resolvimos haciendo un agujero a cada lado del conducto. El cojinete en sí aún no era visible, pero sí el
decodificador que mide los ángulos de elevación, en cuyo centro había un pequeño orificio, fácilmente observable y
forzosamente concéntrico con el eje de elevación, por lo que lo aceptamos como señal de observación para el cojinete
derecho.
Como ambas señales no podían establecer desniveles de más de 10 mm, fue posible estacionar el NA2 de forma
que ambas estuvieran comprendidas en el barrido del micrómetro. Tras un cuidadoso estudio de la altura de estacionamiento,
lo hicimos en la plataforma fija de la cámara de elevación utilizando uno de los trípodes. Comprobamos que la plataforma
no era demasiado estable (estaba en voladizo) y flexaba al cambiar el peso del observador de uno a otro sitio alrededor del
instrumento, según fuera necesario para visar la señal derecha o la izquierda. La solución fue permanecer sentado en una
silla, sin abandonarla durante toda la observación, para la que debía inclinar la cabeza a uno y otro lado del instrumento.
En un giro completo de 360º, cada 10º hicimos lecturas de altura a ambas señales, estableciendo los desniveles
entre ambos cojinetes durante todo el giro. Conocida la distancia entre las señales observadas calculamos los valores
angulares equivalentes, confeccionando el correspondiente cuadro de valores
En esta técnica el residual de ortogonalidad se obtiene junto con el de verticalidad, confirmándolo y permitiendo
conocer los dos acimutes en los que el eje de elevación es horizontal.
Análisis de datos de residuales
En ambos casos teníamos que realizar un estudio armónico, ajustando una senoide con período de 360º. En el caso
de la ortogonalidad dejamos libre el desplazamiento de la curva, que es el valor representativo de la falta de ortogonalidad
(si no existiera, el desplazamiento sería cero).
En el apartado correspondiente del ANEXO del informe ofrecimos tanto los cuadros de valores como los
resultados de los análisis y las correspondientes gráficas.
Señalización del eje de elevación
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Como veremos, en las siguientes fases del proceso debíamos observar el eje de elevación con la plomada óptica del
teodolito montado en el THEODOLITE FRAME, por lo que necesitábamos materializar el eje de forma visible.
Para medir el desnivel entre cojinetes habíamos estacionado un nivel en la mencionada plataforma fija en voladizo
de la cámara de elevación, pudiendo asumir su inestabilidad por flexión porque la ausencia de movimiento del observador
hacía que no subiera ni bajara. Podíamos establecer la alineación del eje con un teodolito estacionado en la plataforma, pero
comprobamos que la flexión no era tolerable en la medida angular porque se generaban rotaciones no admisibles.
La solución fue señalizar el eje mediante un filamento elástico anclado en los puntos que definían el centro de los
cojinetes (foto 6.4-1). Aplicamos la máxima tensión para minimizar la catenaria, que fue medida sobre escala mediante
observación con anteojo desde el cojinete izquierdo. El eje de elevación quedó así definido, de forma precisa y
cómodamente asequible.
6-5. AJUSTE DEL THEODOLITE FRAME
Para el ajuste fotogramétrico de los paneles del reflector principal, debíamos situar adecuadamente cuatro paneles
exteriores, diametralmente opuestos, dos a dos, en diámetros perpendiculares. Al servir como referencia, era suficiente con
que estuvieran bien colocados a 90º.
Para ello debíamos antes ajustar el THEODOLITE FRAME, es decir, definir por primera ver el eje principal de la
antena -aún no estaba definido-. Como labor preliminar y accesoria tuvimos que ajustar la separación entre paneles,
denominada gap, que estaba muy despareja. Recordemos que los paneles de la antena habían sufrido dos desmontajes: uno
para cambiar los espárragos de ajuste y otro para quitar las cubiertas posteriores y los descongeladores.
Habíamos hecho el estudio de flexión con el Teodolito-A montado en la base del THEODOLITE FRAME, aunque
sin que éste estuviera especialmente ajustado, porque para este fin no era necesario (sólo medíamos diferenciales). Para el
ajuste del gap y labores posteriores lo ajustamos.
Habíamos corregido rigurosamente el Teodolito-A: el eje de colimación de la plomada óptica era prolongación del
eje principal del instrumento, al que era paralela la línea de índices de su limbo vertical
Para hacer coincidir el eje principal del instrumento con el del sistema de RF manipulamos los tornillos nivelantes
hasta colocar el retículo de la plomada óptica sobre la señal de la ménsula, inmovilizando entonces los tornillos nivelantes
mediante cinta adhesiva para impedir desajustes accidentales. Después desmontamos la ménsula para poder tener libre
acceso visual al eje de elevación de la antena, ya señalizado por un filamento elástico. Visto por el anteojo de la plomada
óptica del Teodolito-A, era una fina línea blanca perfectamente observable.
El eje principal del Teodolito-A debía definir el de la antena. El primer paso fue ajustar con la TILT TABLE la
posición del THEODOLITE FRAME para que el eje de la antena cumpliera idealmente las siguientes condiciones:
· Ser perpendicular al eje de elevación.
· Cortar al eje de elevación.
· Pasar por el centro de la circunferencia determinada por el borde interior de los paneles del anillo
interior, que determinan una circunferencia fija a la estructura y no ajustable.
· Ser perpendicular al círculo establecido por los bordes exteriores de los paneles
Las dos primeras condiciones siempre se pueden conseguir; las dos segundas sólo son obtenibles simultáneamente
si la antena (realmente la disposición de los paneles) está razonablemente bien configurada.
La TILT TABLE permite tres desplazamientos (∆X, ∆Y, ∆Z) y dos giros (αX, αY).
Tras colocar horizontal el eje de elevación, girándolo hasta donde el residual de ortogonalidad entre el eje de
elevación y el de acimut se compensaba con el de verticalidad del eje de acimut, montamos un Teodolito-G, poniendo
vertical el eje X HORN en el plano definido por el eje de elevación y el propio teodolito, mediante el giro αX de la TILT
TABLE. Tras una primera aproximación con el nivel tórico, utilizamos la técnica de la NTR para acabar de nivelar el
teodolito. De esta forma, el eje X HORN quedó perpendicular al eje de elevación.
Manipulando de forma secuencial e iterativa los desplazamientos ∆X y ∆Y y el giro αY de la TILT TABLE,
buscamos la posición en la que:
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· El eje X HORN pasara por el eje de elevación (materializado por el filamento elástico).
· Fueran iguales los acenitales a los bordes del paraboloide en el diámetro perpendicular al eje de
elevación.
Tras conseguir la posición descrita pudimos comprobar que el eje X HORN ocupaba el centro de la circunferencia
del borde interior de los paneles del anillo interior, con tolerancia de 1 mm.
Tras estas labores, el eje principal de cualquier teodolito que montáramos en la base nivelante fija, definía ya el eje
de la antena, aunque sólo de forma provisional, ya que deberíamos reajustarlo cuando el reflector principal ya estuviera
ajustado por fotogrametría.
6-6. AJUSTE DE PANELES DE REFERENCIA
Como referencia para el posterior ajuste fotogramétrico de los paneles del reflector principal, teníamos que ajustar
cuatro paneles exteriores, diametralmente opuestos, dos a dos, en diámetros perpendiculares. En cada uno de los paneles
debían haber cuatro puntos controlados, cada uno cerca de una de sus cuatro esquinas. En cada punto empleamos la técnica
de radiación polar, midiendo el ángulo acenital con el Teodolito-A, y la distancia, con la cinta metálica.
Para la medición con cinta utilizamos la técnica de incremento, es decir, empezando en una lectura cercana al
origen; por ejemplo: 10 cm. Tras tensar adecuadamente hacíamos lecturas simultáneas en la señal del punto controlado y en
el índice sobre el anteojo que marca el centro del instrumento (un pequeño cono de metal cromado). Despreciamos el error
generado por estar el índice más alto que la línea de colimación, al ser inferior a 0,1 mm en la distancia más corta.
Utilizamos una calculadora programable para la que habíamos hecho un programa para procesar los datos de
observación de cada punto controlado: suministrando el intervalo de parábola generatriz correspondiente, el ángulo acenital
y la distancia medida, nos ofrecía el valor del radio, la altura Z y el desplazamiento de ajuste necesario, medido en dirección
perpendicular a la superficie del paraboloide.
Los operarios accedieron con una grúa a los espárragos de ajuste necesarios para colocar los puntos de los paneles
en la posición deseada. Conociendo el desplazamiento de ajuste necesario y el paso del espárrago roscado que estaba debajo,
podíamos indicarles las vueltas -o fracción- que debían girar las correspondientes tuercas para conseguir el desplazamiento
deseado.
La iteración del proceso, cuando fue necesario, nos permitió ajustar todos los puntos con tolerancia inferior a
0,5 mm, preferiblemente positivos -hacia arriba- tendiendo a compensar el error residual generado por considerar la curva de
la parábola generatriz como una polilínea determinada por los puntos de la definición analítica (tomar cuerdas por arcos).
Para los dieciséis puntos señalizados solicitados entregamos las coordenadas, incluyendo el radio y la Z
correspondientes, a VERTEX, que pudo comenzar el ajuste por medios fotogramétricos de los paneles del reflector
principal, según estaba contratado por la ESA.
6-7. MONTAJE Y AJUSTE DEL RF FRAME
Tras el ajuste del reflector principal por fotogrametría desmontaron el THEODOLITE FRAME y las cinco vigas
provisionales que habíamos utilizado a modo de anclajes y procedieron al montaje del RF FRAME -que ya había venido de
Italia, preparado para su servicio operativo- y de la parte inferior del radomo de protección.
El trabajo que nos quedaba por realizar era hacer coincidir el eje del sistema de RF y del subreflector con el del
reflector principal, ya oficialmente ajustado, así como hacer la validación final.
Si bien las geometrías mecánicas entre el THEODOLITE FRAME y el RF FRAME eran iguales por construcción,
sabíamos que todo el descrito ajuste del eje del primero no se habría mantenido al cambiarlo por el segundo. Por una parte,
habíamos preajustado los paneles a 90º, pero el ajuste fotogramétrico del reflector principal se había realizado a 30º; además,
entre ambos FRAMEs tenía que haber ligeras diferencias geométricas, aun a título residual.
Debíamos hacer el ajuste definitivo con el Teodolito-A montado en el RF FRAME, sobre la HORN X y en su eje.
Como era algo previsto, disponíamos de los útiles, ya descritos, que habíamos construido: la base HORN y la señal
traslúcida de puntería, ambas para ser montadas coaxialmente con el eje X HORN.
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Con estos útiles, una vez montado sobre la base el Teodolito-A y hecha la coincidencia de la plomada óptica sobre
la señal de puntería, el instrumento quedó en la misma posición axial que cuando lo hacía sobre el THEODOLITE FRAME;
pero lo fundamental, es que el eje principal del instrumento coincidía con el eje X HORN.
Puntos de ajuste
Basamos el ajuste en cuatro puntos de los ajustados por VERTEX, concretamente los más cercanos al borde del
reflector principal y a la intersección de los ejes de coordenadas; de otra forma: mirando la antena de frente cuando está
apuntando al horizonte, puntos arriba, abajo, a derecha y a izquierda.
Preferimos hacer el ajuste con puntos que estuvieran en el mismo radio y con la misma Z porque, como una
radiación polar bidimensional con ángulo acenital y distancia geométrica comunes. Si ambos valores son los mismos para
los cuatro puntos, se facilita el ajuste.
Pero los puntos VERTEX mencionados no cumplían esta condición, ya que su implantación era sólo aproximada
(no necesitaba ser más exacta). Basándonos en ellos y en la definición analítica de la curva generatriz, calculamos el
desplazamiento y señalizamos otros puntos, muy cercanos, que sí cumpliesen la condición mencionada de radio y Z
comunes; además, la señal autoadhesiva empleada era especial para punterías verticales, claramente más favorable que el
disco reflectante empleado en la fotogrametría.
Labores de ajuste
Con las cuatro señales preparadas comenzamos el ajuste de la posición del RF FRAME. Manipulando los tornillos
previstos fuimos haciendo el ajuste de los cuatro grados de libertad de la TILT TABLE: los dos desplazamientos ∆X y ∆Y y
los dos giros αX y αY. Sólo utilizamos el ∆Z para poner el conjunto en una posición nominal media, porque el ajuste fino en
Z se hace durante la recepción radioeléctrica (como una especie de "enfoque").
Sin considerar flexiones, el ajuste es simple: desde el Teodolito-A, solidario al RF FRAME y materializando su eje
X HORN, los acenitales a los cuatro puntos tienen que ser idénticos y, además, tiene que estar equidistante de ellos; pero
había que compensar la flexión.
En el estudio de flexión habíamos establecido, para diferentes elevaciones, las diferencias de ángulo acenital de los
puntos controlados, cuya situación era perfectamente equivalente a la de los dispuestos para el ajuste. Para hacer el ajuste a
90º sólo necesitábamos calcular el acenital de cada punto (foto 6.7-1) que corrigiese la correspondiente flexión medida; es
decir: poner a 90º los puntos mal, de forma que a 30º la flexión los pusiese donde tenían que estar. Dado que el RF FRAME
estaba prácticamente centrado (habíamos centrado antes su equivalente, el TEODOLITE FRAME), tras este proceso
dejamos el eje X HORN paralelo al eje del reflector principal, aunque todavía no perfectamente coincidente con éste.
Utilizando los desplazamientos ortogonales ∆X y ∆Y procedimos al centrado del RF FRAME, ajustando la
distancia a cada punto. Era la misma para todos porque sabíamos que no sufrían variación apreciable en flexión, por lo que
no había que aplicar corrección alguna.
Tras las necesarias iteraciones de los dos pasos mencionados (inclinación -balanceos- y centrado -desplazamientos
ortogonales-) dimos por terminado el ajuste del RF FRAME.
6-8. AJUSTE DEL SUBREFLECTOR
El subreflector tiene cinco grados de libertad: desplazamiento ∆Z, desplazamientos ∆X y ∆Y y giros αX y αY.
Podemos decir sobre el ∆Z del subreflector lo mismo que dijimos al describir el ajuste del RF FRAME: sólo lo
utilizamos para poner el conjunto en una posición nominal media, porque el ajuste fino en Z se hace durante la recepción
radioeléctrica (como una especie de "enfoque"). Para evitar sorpresas, antes de comenzar los ajustes hicimos unas pruebas
que pusieron de manifiesto que el desplazamiento del subreflector en Z no afectaba de forma apreciable los otros
desplazamientos ni a las rotaciones.
Utilizando los grados de libertad disponibles debíamos colocar el subreflector en su posición correcta: a 30º de
inclinación debía tener su eje coincidente con el de la antena.
Como el RF FRAME estaba ya ajustado al también ajustado reflector principal, el eje principal del Teodolito-A,
montado en el útil sobre la HORN X, establecía ya el eje de la antena a 30º de inclinación.
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En el estudio de flexión habíamos establecido, para diferentes elevaciones, las diferencias de ángulo acenital de las
dos componentes ortogonales de movimiento del subreflector, tanto de desplazamiento (puntería a señal) como de giro
(autocolimación).
Al igual que en el ajuste del RF FRAME, hicimos el ajuste del subreflector con la antena a 90º de elevación,
corrigiendo las mencionadas diferencias angulares en los ángulos acenitales medidos, de forma que a 30º se compensase el
incremento aplicado en función de la flexión y el subreflector estuviese en su posición y orientación correcta. De igual
manera que antes con el RF FRAME, debíamos poner a 90º el subreflector mal, de forma que a 30º la flexión lo pusiese
donde tenía que estar.
No se podía aplicar carga (peso) a la estructura soporte del subreflector durante todo el proceso de ajuste, porque la
deformación inducida falsearía los datos. Los operarios hubieron de acceder a la caja soporte del subreflector con una grúa
de brazo articulado. Sin tocar la estructura, retiraron la tapa superior de la caja para acceder a la tornillería necesaria y poder
manipularla.
Desde que se hizo el ajuste del RF FRAME, el Teodolito-A permanecía montado en la base sobre el HORN X, con
sus oculares acodados. Hicimos la orientación mediante autocolimación, calculando las rotaciones necesarias y dirigiendo a
los operarios que actuaban en las cuatro tríadas de tornillos antagonistas de la parte superior de la caja. Para el ajuste de los
desplazamientos observamos sobre el blanco dispuesto en el centro del espejo, que señalizaba el eje del subreflector.
Conseguimos la coincidencia corrigiendo la posición con los servomotores de desplazamientos ∆X y ∆Y. Todo ello, en
ambas posiciones del instrumento y para cada componente.
Tras las necesarias iteraciones de los dos pasos mencionados, previniendo que una rotación provocara un
desplazamiento residual del ápex, y viceversa, dimos por terminado el ajuste del subreflector.
6-9. VERIFICACIÓN FINAL
Para dar por concluido nuestro trabajo debíamos hacer una verificación general de los ajustes realizados en la
antena. Era la solicitada "Validación Final", a modo de autocontrol de calidad.
La situación de partida fue con el vectorial montado en el Teodolito A, que estaba estacionado sobre la HORN X, y
presuntamente coaxial con los ejes del reflector principal y del subreflector, también presuntamente coaxiales. Pusimos la
antena a 30º de elevación.
Con una grúa de brazo telescópico articulado pudimos acceder al instrumento (foto 6.9-1), sin tocar la estructura,
para hacer las observaciones acenitales necesarias (foto 6.9-2): verificación de la coincidencia del eje del reflector principal
con el eje X HORN y verificación de la coincidencia del eje X HORN con el eje del subreflector. No fue necesaria la
verificaron de las distancias porque estaba sobradamente establecido que no variaban.
Las observaciones pusieron de manifiesto que los valores angulares medidos correspondían, dentro de tolerancia a
los valores nominales correspondientes a la geometría teórica de la antena.
Dimos por terminado el trabajo.
REFERENCIAS
Ferrer Torio, R. et al (1992): "TOPOGRAFÍA APLICADA A LA INGENIERÍA CIVIL". Curso de Laredo. Universidad de
Cantabria, Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Departamento de Ingeniería Geográfica
y Técnicas de Expresión Gráfica, Santander 1992.
Valbuena Durán, J.L. et al. (1994): "CONTROL GEOMÉTRICO DE ANTENAS PARABOLOIDALES". Topografía y
Cartografía, páginas 15 a 24, Vol. XI, nº 62.
Valbuena Durán, J.L. et al. (1994): "PARABOLOID ANTENNA GEOMETRICAL FITTING". GIM. Geodetical Info
Magazine. International Journal for Surveying, Mapping and applied GIS, pags. 61 a 64, Vol. 8, nº 11.
Valbuena Durán, J.L. et al. (1996): "INSTRUMENTACIÓN Y METODOLOGÍA EMPLEADAS EN LAS TÉCNICAS
ALTIMÉTRICAS CLÁSICAS. Instituto de Astronomía y Geodesia (Centro mixto C.S.I.C. - U.C.M.). Madrid. Publicación
nº 190.
15
Valbuena Durán, J.L. et al. (1996): "AJUSTE ESPACIAL DE EJES EN MESA INDUSTRIAL USANDO TÉCNICAS
INUSUALES". TOP-CART 96. Libro del VI Congreso Nacional de Topografía y Cartografía. Ilustre Colegio Oficial de
Ingenieros Técnicos en Topografía. Madrid.
16
Dirección de la gravedad
Eje del instrumento
N
Zd
N
Zi
Eje de colimación
N
Zi
Zd = - N
Zd
Zi = + N
Zi - Zd = 2N
Gráfico 1. Técnica NTR
V
E
E
V
N
E
N
Zd
Zi
V
N
Gráfico 2. NTR de EJE EXTERNO
17
Señal de puntería
descentrada
Señal de puntería
centrada
Eje de colimación
teórico
Eje de colimación
real
SITUACION IDEAL
SITUACION REAL
Dirección a
determinar
ESPEJO
Situación de
partida
N
Puntería
círculo directo
N
Puntería
círculo inverso
Gráfico 3. Autocolimación Externa
Gráfico 4. Nivelación de espejo por autocolimación
18
Gráfico 5. RF FRAME con las dos HORNs
Gráfico 6. Adquisición de la alineación de la HORN X
Gráfico 7. Alineación con el espejo elíptico de la HORN Ka
19
Foto 1-1. Antena VIL-4 de la ESA
Foto 6.1.1. Puesta en vertical del eje del subreflector
20
Foto 6.1-2. Útil con tres palpadores sobre el espejo del ápex
Foto 6.1-3. Nivelando el espejo del ápex
21
Foto 6.2-1. RF frame en mármol de taller para alineación
Foto 6.2-2. Alineación por autocolimación con cinco reflexiones
22
Foto 6.3-1. Base nivelante en TEODOLITE FRAME y barras de sujeción
Foto 6.3-2 Teodolito-A con útil vectorial, resortes y placa base
23
Foto 6.3-3. Observadora en zona RF con la antena a 0º
Foto 6.3-4. Midiendo flexión a 0º de elevación
24
Foto 6.4-1. Filamento elástico señalizando eje de elevación
Foto 6.7-1. Observando con teodolito desde el útil sobre la HORN X
25
Grúa con observadores en zona RF para validación a 30º
Foto 6.9-2. Observaciones de validación a 30º desde barquilla de grúa.
26
Descargar

Ajuste Geométrico de Antena Paraboloidal