HAL Id: jpa-00242780
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00242780
Submitted on 1 Jan 1967
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Le grand radiotélescope à deux miroirs de la station de Nançay. Etude du dispositif de pointage
M. Ginat, J.L. Steinberg
To cite this version:
M. Ginat, J.L. Steinberg. Le grand radiotélescope à deux miroirs de la station de Nançay. Etude du dispositif de pointage. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1967, 2 (2), pp.79-96. �10.1051/rphysap:019670020207900�. �jpa-00242780�
LE GRAND RADIOTÉLESCOPE A DEUX MIROIRS DE LA STATION DE NANÇAY
ÉTUDE DU DISPOSITIF DE POINTAGE (1)
Par M. GINAT et J. L. STEINBERG,
Observatoire de Paris, Section d’Astrophysique, Meudon, Hauts-de-Seine.
Résumé. 2014 Le miroir plan mobile du radiotélescope de Nançay est constitué par dix pan-
neaux mécaniquement indépendants, astreints à rester parallèles entre eux. Après un bref rappel de l’étude de la structure et des déformations des panneaux au cours de la rotation,
nous décrivons :
2014
l’appareillage de mesure de l’inclinaison d’un panneau, utilisant un système digital Ferranti, entraîné par l’axe principal de l’élément, à travers un correcteur de la rotation diffé- rentielle par rapport au plan réflecteur,
- la méthode d’étalonnage des quatre dispositifs digitaux dotant les quatre panneaux dits « maîtres »,
2014 les chaînes de servomécanismes assurant l’asservissement d’inclinaison aux quatre
« maîtres » des six panneaux restants.
Abstract. 2014 The plane tilting mirror of the Nançay radiotelescope consists of ten inde-
pendant panels, which are servoed to remain parallel one to another. After a short review of the structure of the panels, we describe :
2014 the inclination measuring system which is a Ferranti digitizer driven by the main shaft of
the panels through a device correcting for differential rotation between reflector surface and shaft, 2014 the calibration of the four Ferranti digitizers controlling the "master" mirrors, - the servo-systems which control the six remaining "slaves" mirrors.
Présentation de l’instrument. - Le grand radio- télescope à deux miroirs de Nançay est construit
suivant un principe assez voisin de celui édifié par
J. D. Kraus à l’Université d’Ohio. C’est un instrument méridien dont la partie principale est constituée par
un miroir concave fixe ayant son axe principal dirigé
vers le Nord et sensiblement horizontal. Un miroir
plan lui fait face, mobile autour d’un axe horizontal
et orienté Est-Ouest.
L’inclinaison du miroir plan est réglée de manière qu’il renvoie le rayonnement radioélectrique de l’objet
étudié (à sa culmination supérieure), dans la direction de l’axe principal du miroir concave. Ce dernier
concentre les ondes en direction d’antennes réceptrices (permettant des observations sur différentes fréquen- ces) placées à son foyer, au voisinage du sol ( fig. 1).
Ce dispositif a, en principe, une grande simplicité,
car la surface du réflecteur concave est fixe. Une fois (1) Cet article représente la deuxième partie du mémoire présenté par M. Ginat à la Faculté des Science de Paris le 22 juin 1966 pour l’obtention du titre de Docteur ès Sciences Appliquées (numéro d’identification aux archives
originales du Centre de Documentation du C.N.R.S. : A.O. 1044).
F 1 - Trajet des ondes (en élévation).
FIG. 1.
2013 {
Trajet des ondes (en plan).la forme et les tolérances de surface définies, on peut admettre que les réglages sont faits une fois pour toutes.
La partie mobile de l’instrument est plane, et peut
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:019670020207900
être aisément fractionnée en un certain nombre d’élé-
ments juxtaposés et alignés optiquement. De plus, il
est plus facile de vérifier, au cours de son mouvement,
la stabilité d’un plan que celle d’une surface à double courbure. Enfin, il est très aisé de permuter les an-
tennes réceptrices puisqu’elles sont au niveau du sol.
Par contre, la surface utile n’est que la moitié de la surface construite et le pointage du plan doit être
deux fois plus précis que ce que l’on recherche sur le faisceau.
Le coût de l’instrument est donc peu élevé, mais
ses performances se limitent à l’observation méri- dienne dans le cas d’un miroir parabolique. Pour pallier cet inconvénient, nous avons choisi un miroir
concave sphérique. De cette manière, nous avons pu étendre le champ à environ une demi-heure de part
et d’autre de l’heure de passage au méridien local, en déplaçant l’antenne de manière qu’elle suive le dépla-
cement de l’image de l’astre sur la sphère focale. Les
possibilités d’un tel fonctionnement ont été prévues théoriquement par les calculs de J. Arsac [1].
Les caractéristiques ont fait l’objet de nombreuses discussions au sein de l’équipe de Radioastronomie
et avec le constructeur. Les dimensions déterminées tiennent compte à la fois de considérations budgétaires
et des difficultés de réalisation; elles nous semblent
constituer un excellent compromis permettant de doter l’Astronomie française d’un très grand instru-
ment. Les caractéristiques principales sont :
Miroir sphérique : Rayon de la sphère, 560 m.
Dimension dans le plan horizontal, 300 m de lon-
gueur développée. Dimension dans le plan vertical,
35 m de longueur développée.
Miroir plan : Longueur, 200 m. Hauteur, 40 m.
Précision du pointage, ± 15" à + 20" (2).
Tolérances de surface générale : ± 0,5 cm d’écart aux
surfaces théoriques dans la partie centrale; + 1 cm
sur les bords. Longueur développée du chemin de roulement sur lequel se déplacent les antennes focales,
100 m (soit 70 5 de part et d’autre du méridien
(fig. 1).
Le choix d’un miroir sphérique, s’il augmente le champ, diminue le rendement dans l’axe par rapport à un miroir parabolique (solution J. D. Kraus) de
même ouverture.
Un compromis a été fait entre la diminution relative de rendement et les défauts géométriques (coma,
courbure de champ) résultant de la position du miroir plan, jouant le rôle de diaphragme, par rapport au
centre de la sphère. Il a donc été décidé (J. Arsac)
(2 ) La précision de pointage primitivement choisie était ± l’ pour les observations à 21 cm de longueur
d’onde. La qualité du miroir étant excellente, nous avons étendu ses possibilités à 13 cm et 6 cm de longueur d’onde.
Toutefois, à 6 cm, la largeur à demi-puissance du lobe
d’antenne dans le plan vertical est environ 7’. Il est donc raisonnable d’imposer + 40" de précision sur la distance
zénithale de la direction du maximum du lobe et par
conséquent + 20" sur l’inclinaison du miroir plan.
REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE. - T. 2. N° 2. JUIN 1967.
de placer le miroir plan entre le centre et le foyer du
miroir concave, la distance entre miroirs plan et sphérique est de 460 m. L’ouverture du miroir dans le plan horizontal étant très grande, l’instrument est
entaché d’aberration de sphéricité. Une correction de
Schmidt, modifiant le trajet optique des rayons mar-
ginaux, a été introduite en déformant légèrement sur
les bords la surface du miroir plan. Les calculs détaillés
ont été effectués par F. Biraud [2].
L’ensemble de l’instrument est implanté dans la partie Sud-Est du terrain de la Station de Radioastro- nomie de Nançay.
Pour des raisons budgétaires aussi bien qu’astrono- miques (l’Observatoire voulait se réserver la possibilité
de contrôler si un projet de cette envergure était
viable), l’instrument a été construit en deux phases
de travaux :
10 De 1958 à 1960, le cinquième de la surface totale
a été réalisé, soit : miroir sphérique, 60 m de longueur développée; miroir plan, 40 m de longueur.
Une période d’environ 18 mois a suivi cette cons-
truction : elle a été consacrée à des études astrono-
miques, ainsi qu’à une exploration systématique des possibilités de la structure et de son comportement.
2o De 1962 à 1964, l’extension aux dimensions définitives a été exécutée.
Brève description des différentes éléments constituant l’instrument. - MIROIR SPHÉRIQUE. - L’ossature du miroir est constituée par une série de 31 pylônes
de 35 m de hauteur, espacés de 10 m d’axe en axe (sur la face intérieure) et disposés radialement. Des poutres horizontales à treillis de 10 m de portée les
entretoisent à des niveaux espacés de 5,50 m et reçoi-
vent un empennage de nervures verticales (montants secondaires) espacées de 2,50 m. Il existe donc 3 mon- tants secondaires entre deux montants principaux
consécutifs. Sur cette ossature sont tendus tous les 0,8 m
des câbles horizontaux destinés à supporter les lés verticaux du treillis constituant la surface réfléchis-
sante proprement dite.
Un ensemble de contreventements et de barres de raidissement complète le miroir, divisé en trois parties
de 100 m de longueur développée pour tenir compte
du jeu de dilatation-contraction nécessaire.
Le poids total de la charpente du miroir sphérique
est 750 tonnes. Chaque montant principal pèse
17 tonnes.
La surface réalisée est telle que :
- son intersection avec un plan diamétral vertical soit un arc de cercle de 560 m de rayon;
- son intersection avec un plan horizontal, qui est
définie par les câbles tendus entre les différents
montants successifs, soit une ligne polygonale à
120 côtés de 2,50 m de longueur.
Les écarts à la sphère théorique de la surface ainsi définie sont au maximum de 1,5 mm. Des dispositifs
de réglage sont prévus à chaque point de passage des câbles horizontaux sur les montants principaux et
secondaires.
MIROIR PLAN. - Il se compose de dix panneaux
juxtaposés de 40 m de hauteur par 20 m de largeur,
orientés face au Sud.
Chaque élément tourne de 900 autour d’un axe
horizontal et orienté Est-Ouest à 21 m au-dessus du sol. La position horizontale qui correspond à une
surface apparente (vue du miroir sphérique) nulle est
une position de repos. La zone utile d’exploitation du
miroir plan est comprise entre 300 d’inclinaison (soit approximativement une visée à 760 de déclinaison) et
la verticale (déclinaison - 440).
Pour donner à la structure d’un panneau élémen- taire la rigidité convenable sur 20 m de porte-à-faux
de part et d’autre de l’axe de rotation, le constructeur
a donné à la charpente la forme d’une demi-roue de
grand diamètre portant le dispositif d’entraînement.
L’axe est constitué par une poutre réalisée en caisson
(nécessité d’obtenir une grande rigidité dans le plan
vertical de symétrie). Il est relié par des poutres radiales à une jante en demi-cercle, centrée sur l’axe, laquelle supporte le tambour d’entraînement.
La jante est elle-même fixée à deux poutres poly- gonales, l’une de 15 m de large et de 4 m de haut,
l’autre de 10 m de large et de hauteur 8 m. Ces poutres se développent symétriquement par rapport à
l’axe de rotation et supportent un plan de 800 m2,
constitué par des poutrelles horizontales espacées
de 4 m. (Le poids d’un panneau est de 40 tonnes.)
Les câbles supportant le treillis réflecteur sont tendus verticalement à un espacement de 0,75 m et reposent,
par l’intermédiaire de cales réglables en hauteur, tous
les 4 m, sur les poutrelles constituant le plan. Le réglage du calage en chaque point des câbles permet d’ajuster la surface, par nivellement direct, à une
excellente planéité. Cette opération, effectuée dans la
position horizontale du miroir, constitue le seul réglage possible. On peut considérer le miroir comme plan à ± 2 mm.
La poutre-caisson formant l’axe repose par l’inter- médiaire de deux tourillons tournant dans des paliers
à rouleaux sur le sommet de deux pylônes de 21 m de
hauteur. Afin de permettre le jeu de dilatation, l’un
des paliers est fixe, l’autre peut glisser dans sa cage.
Hormis ceux des extrémités, chaque pylône est
commun à deux miroirs et reçoit par conséquent le palier mobile d’un miroir et le palier fixe du suivant.
Les différents pylônes porteurs sont reliés entre eux par une passerelle (à 9 m de hauteur) formant
contreventement, qui reçoit, au milieu de chaque intervalle, le dispositif d’entraînement (treuil à deux
vitesses mû électriquement) mettant en mouvement
de rotation les jantes semi-circulaires, et donnant
l’inclinaison désirée au plan réflecteur. (Poids de
l’ensemble pylônes-passerelles : 270 tonnes.)
La transmission est assurée par une double chaîne
Galle (une chaîne principale, une chaîne de sécurité),
fixée au tambour semi-circulaire tous les deux mail- lons [3, 4].
La charpente du miroir plan, plus légère, est aussi plus fragile que celle du miroir sphérique. Le miroir
doit donc être ramené en position horizontale lorsque
le vent atteint une vitesse de 15 m/s. Le centre de gravité étant placé notablement plus bas que l’axe de
rotation, le couple de rappel vers l’horizontale est
suffisant pour permettre le retour en position de repos,
en cas de défaillance du mécanisme d’entraînement.
En tenant compte des pressions développées par le
vent sur le treillis réflecteur et après des essais en
soufflerie, la vitesse limite compatible avec les tolé-
rances de surface, ou vent opérationnel, a été fixée à
10 m/s. Une analyse portant sur 10 ans de mesures quotidiennes de la vitesse du vent, dans les stations
météorologiques proches de Nançay, a montré que le choix de cette vitesse de 10 mis n’interdirait d’em-
ployer le radiotélescope que 10 jours par an. (L’exis-
tence du couple de rappel vers l’horizontale est une
caractéristique importante qui a un retentissement considérable sur le comportement du miroir plan et a
contribué à compliquer notablement les problèmes de pointage.)
Il résulte des considérations ci-dessus que le pro- blème du pointage de l’instrument se ramène à la
mesure de l’inclinaison par rapport à l’horizontale du miroir plan, qui dépend directement de la manière dont se conserve la planéité de ce dernier au cours de
la rotation.
Nous avons effectué une étude complète de la
structure [9], en nous limitant à certaines sections méridiennes. En effet, il n’existe, en principe, aucune
force s’exerçant sur la charpente qui ne soit pas
contenue dans un plan méridien. On peut donc admettre que les déformations mesurées sont repré-
sentatives de ce qui se passe dans les autres plans
méridiens.
Les principaux résultats sont les suivants :
DÉFORMATIONS PROPRES DU PLAN RÉFLECTEUR. -
Réglé plan en position horizontale à :E 2 mm près, chaque élément du miroir se transforme au cours de la rotation vers la verticale en une portion de cylindre
tournant sa concavité vers le Sud. En outre, la partie
centrale (dans le plan vertical du tambour d’entraî-
nement) avance vers le Sud par rapport aux rives du miroir (amplitudes des déformations : 8 mm et 5 mm).
La qualité du plan réflecteur demeurant excellente
au cours de la rotation, nous avons cherché, par la méthode des moindres carrés, à déterminer le plan
réflecteur effectif et les angles qu’il forme avec certains
segments liés à la charpente. On constate que la liaison
avec le plan moyen du segment joignant les poutres
disposées à 4 m de part et d’autre de l’axe est assez
bonne (écarts de ± 20" à + 40"), mais présente une hystérésis notable au renversement de marche. Par
contre, la liaison du segment joignant les points à 12 m
de part et d’autre de l’axe est excellente, l’écart reste
constant à + 6" et l’hystérésis est négligeable.
DÉFORMATIONS DE LA CHARPENTE RELIANT LE PLAN
RÉFLECTEUR A L’AXE DE ROTATION. - Les mesures
effectuées à partir d’une lunette montée rigidement
sur l’extrémité du tourillon de l’axe de rotation font
apparaître une rotation du tourillon par rapport au plan. Quand le miroir va vers la verticale, l’axe tourne plus vite que lui; cet effet est dû au poids de la charpente support du plan réflecteur qui a tendance
à entraîner la face supérieure de la poutre-caisson.
Cette rotation différentielle est entachée d’une forte
hystérésis au renversement de marche. Enfin, l’angle
d’écart croît systématiquement quand le point consi-
FIG. 3
Rotation apparente par rapport au tourillon.
déré s’éloigne de l’axe de rotation. La figure 3 donne l’angle de rotation apparente de différents points de
la surface (situés à 4 m, 8 m, 12 et 20 m de l’axe) en
fonction de l’inclinaison du miroir. Ces mesures ont
été reproduites après renforcement de la liaison entre le plan réflecteur et le tambour d’entraînement. Une amélioration sensible a été obtenue. Toutefois il subsiste :
- une rotation différentielle d’environ 5’ d’am-
plitude ;
- une hystérésis au renversement de marche
d’amplitude l’ ;
- une hystérésis d’environ 20" après un pointage
à la verticale.
DÉFORMATIONS DES PYLONES SUPPORTANT LES MI- ROIRS MOBILES. - La mesure de l’inclinaison des miroirs impose une référence fixe et par conséquent
l’étude de la stabilité des pylônes, dans l’éventualité d’une solution permettant de déduire la valeur de l’inclinaison des miroirs de la mesure de la rotation de l’axe.
Deux phénomènes se superposent :
- d’une part, les déformations sous l’influence du
couple de rappel vers l’horizontale des miroirs ;
- d’autre part, les déformations thermiques dues
aux différences de dilatation des éléments de char- pente exposés au rayonnement solaire direct.
1° Déformations sous l’effet du couple de rappel : Sous
l’influence du couple de rappel qui tend à ramener le
miroir à sa position horizontale, la passerelle suppor-
tant le mécanisme d’entraînement se déplace vers le
Sud et, le pylône étant rigidement encastré à sa base,
le sommet s’incline vers le Nord. Les mesures confir-
ment ce raisonnement simple, et la figure 4 donne,
en fonction de l’angle d’inclinaison i des miroirs,
l’inclinaison E(i) du sommet de différents pylônes. On
voit que des différences notables se manifestent, sans qu’une explication plausible puisse être avancée.
(Nous avons porté autour de la courbe moyenne carac- térisant le pylône 5-6 (pylône axial) les irrégularités
dues aux à-coups des mécanismes d’entraînement, qui peuvent être la cause de difficultés supplémentaires
pour le dispositif de mesure de l’inclinaison.) L’hysté-
résis au renversement de marche est faible et ne
dépasse pas 10".
FIG. 4. - Inclinaison des pylônes sous l’effet du couple
de rappel des miroirs en fonction de leur inclinaison.
2° Déformations d’origine thermique : L’étude de ce phénomène qui se superpose au précédent est actuel-
lement en cours.
La composition des dilatations est telle que les
pylônes exposés au rayonnement solaire direct s’in- clinent vers le Nord. L’amplitude de la déformation
dépasse la minute d’arc au sommet des pylônes. Tou- tefois, il semble que dans des conditions stables de
température (la nuit, ou par temps couvert) nous
nous trouvions en présence du seul phénomène décrit
en 1°.
DISPOSITIF DE POINTAGE DU RADIOTÉI,ESCOPE. -
Après avoir fait l’étude des diverses solutions possibles,
nous avons choisi celle consistant à déduire la valeur de l’inclinaison de la mesure de la rotation du tourillon.
Cette dernière est transmise à un dispositif de correc-
tion mécanique, à came réglable, qui astreint l’axe de sortie du correcteur à suivre la rotation du plan
moyen réflecteur défini par le segment de la ligne de plus grande pente joignant les points à 12 m au Nord
et au Sud de l’axe. La rotation de l’axe de sortie du correcteur est transmise par l’intermédiaire d’un
accouplement souple (homocinétique à 0° 001 près)
à un dispositif digital (appelé dans ce qui suit digitali- seur) produisant une impulsion électrique pour chaque
millième de degré de rotation. Des circuits annexes provoquent l’addition ou la soustraction de ces impul-
sions en fonction du sens de rotation du miroir. Le résultat du comptage est affiché sur tubes décimaux lumineux.
L’ensemble accouplement-digitalisation a été mis
au point par la Société Ferranti d’Édimbourg (G.-B.),
et dérive des équipements de mesure, maintenant clas-
siques, utilisés dans les machines-outils à commande
numérique. Les différentes parties de ce système sont
décrites séparément ci-dessous.
CORRECTEUR A CAME. - L’appareillage a été conçu, dessiné et réalisé par le Bureau d’Études (B. Bertin)
et l’Atelier de Mécanique de l’Observatoire de Meu- don. Deux bras mobiles l’un par rapport à l’autre sont montés concentriques sur le tourillon. Le premier, dit
bras moteur, est lié rigidement au tourillon. Le
deuxième, dit bras mû, lié au bras moteur par une
roue à rayons déformables en acier inox, est appliqué
sur le plus court des bras d’un levier coudé qui tourne
autour d’un axe fixé au bras moteur. L’autre extré-
FIG. 5. - Correcteur à came. Schéma de principe.
FIG. 6
Correcteur à came. Lunette à prisme pentagonal.
mité du levier coudé glisse sur une came dont la distance Ro au centre du tourillon est déterminée par la valeur de la correction angulaire à introduire (fig. 5 et 6).
Avec les notations de la figure, la sensibilité est
donnée par la formule
avec les valeurs numériques adoptées, on trouve d03B1/dR0 = 0,23’ par mm.
Le bras moteur est centré sur le tourillon au moyen de trois vis calantes; le centrage a été effectué par
approximations successives à l’aide de trois compara-
teurs. La précision obtenue est de ± 0,2 mm.
Le bras mû est astreint à rester constamment perpen- diculaire au segment de la ligne de plus grande pente
joignant les points de la surface situés à 12 m de part
et d’autre de l’axe.
Ces points sont matérialisés par deux piges graduées
fixées rigidement sur le plan réflecteur et perpendi-
culairement à lui. L’origine des graduations est définie
par le plan des câbles qui supportent les lés de treillis.
Rappelons que l’enveloppe des plans tangents aux génératrices supérieures des câbles constitue la surface de référence du panneau. Cette surface a été réglée plane en position horizontale du panneau. On vise
ces piges au moyen d’une lunette à oculaire coudé de
grossissement 30 (diamètre de l’objectif 60 mm) rigi-
dement liée au bras mû du correcteur. Un prisme pentagonal tourne devant l’objectif et renvoie l’axe
optique alternativement vers la pige située 12 m au Sud, et vers celle située 12 m au Nord. La lunette qui
