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科普知识----中国天眼(球面射电望远镜)

作者: admin 时间: 2021-01-01 16:18 点击: 74次
科普知识-----天眼(球面射电望远镜)

作者:中国摄像师潘长宏

2020年12月14日

朋友们,今天我想和大家一起了解一下中国的球面射电望远镜(中国天眼-简称FAST),我主要从以下五个方面和大家分享一下,一是天眼的概况;二是天眼主要工作目标;三是天眼工程的五大系统;四是天眼的主要关联构造;五是电磁环境、稳定性及设计寿命。

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  远处镜头拉的拍摄

一、 FAST简要概述

天眼是一个中国自己研制的球面射电望远镜,这座耗资12亿元人民币,历时5年建成的望远镜,被誉为“天眼”,位于中国贵州偏远的一个大洼地中。一个只有中国科学家才能参与对望远镜初步观测数据的研究项目。2016年开始测试以来,直至2019年10月止已经发现了100多颗脉冲星。它500米宽的碟形天线由大约4400块单独的铝板组成,有超过2000个机械绞盘用于操纵其倾角,可以聚焦天空的不同区域。

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这一重大国家项目(FAST)首席科学家、总工程师南仁东,在1994年起,一直负责FAST的选址、预研究、立项、可行性研究及初步设计。 2016年9月,FAST落成启用,2017年9月15日晚,南仁东因肺癌逝世,享年72岁。2018年12月18日,党中央、国务院授予南仁东同志改革先锋称号,颁授改革先锋奖章,并获评“中国天眼”的主要发起者和奠基人。2019年9月17日,国家主席习近平签署主席令,授予南仁东“人民科学家”国家荣誉称号。2019年9月25日,被评选为最美奋斗者”。有一个学者写南仁东是这样描述:“在这个小房间里,张承民看着慷慨激昂、仿佛在演讲的南仁东,感觉他有点像西班牙小说里的堂吉·诃德,原来这世上真有为理想而生的人;又觉得他更像中国的谭嗣同,是一个可以为理想而死的人。”

上海天文台台长、中国科学院FAST监督委员会联合主席沈志强表示,现在全世界的研究人员都将可以使用其观测数据进行研究。

二、 FAST主要工作目标

FAST工程总体介绍FAST的主要科学目标500米口径球面射电望远镜(FAST—Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)主要科学目标包括下列5个方面:

1、    巡视宇宙中的中性氢

中性氢是在宇宙形成之初存在的元素,基本上记录了整个宇宙演化的过程,可以帮助我们研究整个宇宙的起源和演化;

2、    观测脉冲星

脉冲星是恒星能源消耗完以后形成的,是FAST研究的一个重点;

3、    主导国际VLBI网

国际大射电望远镜阵VLBI网,因为FAST参加将提高整个网的性能;

4、    探测星际分子

这对包括宇宙的组成、生命的起源等等都有重要的意义;

5、    搜寻星际通讯信号

这种信号在某种意义来说是高级外星的生命所发出的。

三、FAST工程的五大系统

FAST工程包括了五大工艺系统,建设地点是贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村大窝凼洼地。

1、    台址与基地系统

我们的FAST台址选在贵州大窝凼,这里有得天独厚的优势:首先,选择的地方接近于一个球面形状,对于我们的望远镜,整体工程的开挖量少,总投资少。第二,选择地是喀斯特地貌,是天然大漏斗,不会窝水。但是为了防止百年一遇的特大型洪水爆发,还修了排水隧道,把水排到一公里之外更深的窝凼。包括了进场道路、工艺设备基础还有观测基地,建综合楼,其他的配套设施等,整个排水也是独一无二的。第三,射电望远镜要求环境电磁干扰小,这里人口密度低,能发电磁干扰的大设备比较少,最终在周边5公里建立电磁环境保护区比较容易实现。

2、    望远镜主体

总体指标,望远镜反射面的口径是500米,半径是300米。右图是500米望远镜的剖面。C点是球面的球心。我们观测某个方向的天体目标时,在天体和球心到反射面的连线上选取一个点作为抛物面的焦点,把以这个点为中心,周边的300米的镜面变形成抛物面,这个抛物面把天体目标发出的平行光聚焦到焦点上,我们的接收机(馈源)就安装在这个焦点上。由于变形抛物面的直径是300米,所以虽然FAST是500米口径球面射电望远镜,实际上我们使用是其中300米。

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如果我们对同一个天体目标进行跟踪,因为地球在自转,所以天体目标在运动,在运动过程中,这个临时的抛物面要一直不停地跟踪变化。这样反射面不断变形,接收机在空中也要运动,它运动的范围是一个球冠面,在空中的直径是200米,所以馈源在空中运动范围是200米。最低点为37米,最高点为140米,整个是在空中运动的。望远镜焦点比是0.4611,覆盖的天顶角为40度,包括40度以外的目标就无法看了。望远镜的工作频率是70MHz到3GHz,L波段灵敏度为2000m2/K,分辨率为2.9′,19个波束,观测换源时间<10min,跟踪精度为8″。

3、主动反射面系统

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为了能对反射面进行控制,进行变形,首先依地形建造圈梁,然后下面编成一个球形大网兜。这个大网兜的节点与节点是边长11米的三角形,一共有4450个这样的三角形,在上面铺设反射镜面形成大锅。三角形每一个节点上有斜拉的钢索,连到地面上,钢索下面有液压触控器往下拽钢索。这样编织成的大网兜张得很紧,每一个节点都可以往上往下运动,一共有2225个,覆盖了整个反射面。通过这个联合的控制,精确调节每个节点的运动距离,就可以使得球面变形成抛物面,这是主动反射面做的主要的工作。

我们的大网兜不能依着地面建,下拉索跟地面之间要有距离,否则无法运动。整个望远镜的反射面其实是浮在空中的,下拉索节点离地面最近的地方3米多高,下面可以开汽车。

这样做的好处是我们的馈源接收机可以做得比较简单轻巧,如果没有变形的抛物面聚焦,球面聚焦就会成为一条线而不是一个点,就需要很长的接收机来接收信号。我们还可以通过比较简单的方式实现馈源接收机的运动,这也是一项重要创新。

4、馈源支撑系统

馈源接收机在空中的定位有精度要求,离不开测量和控制,馈源支撑系统就是一个测量与控制系统。大网兜下面有2225个下拉索来实现球面到抛物面的形状改变,这些下拉索在窝凼里面是密密麻麻的分布的,所以有一个综合布线系统,把所有的动力和控制信号引入到每一个控制的液压触控器上。还要建一些基础测量的测量网、测量基准等等,包括馈源接收机的测量与控制,主动反射面变形的测量与控制,以及整个望远镜的总控。

5、接收机与终端系统

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FAST的观测频率是从70到3000MHz,根据不同的波段接收机的形状不一样。有振子的方式,还有喇叭的方式,一共是7套。

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总体上说,FAST工程有三大创新,第一是利用了地球上独一无二的喀斯特地貌作为FAST望远镜的台址,第二是采用主动变形的抛物面反射面,第三是通过6塔6索的支撑方式实现了轻型馈源接收机运行方式。因为有了这三大创新,FAST望远镜才能够呈现在大家眼前。FAST建成以后,将实现中国射电天文技术从追赶到领先的跨越式发展,在未来20年之内将保持世界的领先地位。

四、FAST主要关联构造

(一)大跨度柔索牵引并联机构.

(二)动光缆的研制.

(三)主动变位工作模式的索网结构。

(一)大跨度柔索牵引并联机构

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为了实现射电望远镜的高精度指向跟踪,我们的馈源支撑系统采用了大跨度柔索牵引并联机构设计,它由6塔6索1舱1平台构成,即6座百米高的支撑塔,6套索驱动,1个重约30吨的馈源舱,1座舱停靠平台。这是世界上在建的最大的牵引并联机构,也是FAST的三大自主创新之一。从技术上讲,它是一个柔性的并联机器人拖动一个刚性的并联机器人。整个馈源系统的运动由一套控制系统自动实现,它可以根据不同的工况制定相应的控制策略,通过测量反馈的数据,控制6条索的出索速度来调整馈源舱的位姿,控制实现的指标是:空间位置最大误差≤48mm,空间姿态误差≤1°。这是我们整个系统的核心技术,是由我们独立研制的。

这样一个巨大的机构,安装工艺很复杂。例如穿索,一根索的长度是600多米,重量6吨,如何把6吨的钢丝绳拖到水平跨度300米,高差277米的平台上,是一个考验,我们专门修了一条轨道将大设备一件一件拽上去。为了这个庞大的牵引并联机构能够实现精确控制,我们进行了大量的实验,从室内3米模型调试,验证核心算法,到6索带载联调,测量馈源舱在每一个位置位置误差和姿态误,一步一步地对于各个技术环节进行了验证。

FAST对电磁环境的要求非常高,整个索驱动设备屏蔽的要求达到了国际D级标准,馈源舱要求已经突破了D级。设备中有很多大功率电子器件和运动机构,很多技术方案都是首次使用的。电机颤动的过程中通过轴连着卷速机,必须和墙之间有缝,导致电磁波会外泄,这对于望远镜是不可以承受的。我们采用一个迷宫的形状,让电磁波经过这里时在迷宫里面进行衰减,最后传不出来,这个技术也我们首创的,已申请了相关的专利。

(二)动光缆的研制

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动光缆是FAST的视神经,负责馈源舱控制信号和天文观测信号的传输。它的性能要求非常高,一是要耐反复弯曲,我们要求能反复弯曲1万次;二是要求光缆在运动状态下信号衰减小于0.1dB。但是我国现在的国标是反复弯曲100次,光缆附加衰减小于0.2dB,远远不能达到FAST的要求,而国外又对我们进行技术封锁和禁运。我们花了四年时间和三家单位进行合作,反反复复做实验。我们做了6.6万次实验,包括扭转、拉伸、渗水的实验等等。通过这些机械性能实验,我们对于光缆有一个初步的认识。为了确保性能的可靠,我们又做了光缆模拟工况实验、疲劳加速实验。前6.6万次,每天监测1小时;后面的实验做到10万次,我们每周监测1小时。最后通过了10万次的弯曲疲劳寿命实验,附加衰减小于0.05dB。烽火集团公司为了研制光缆,他们自己也做了耐反复弯曲光纤的研究,最后成功了,还应用到其他领域,现在的销量已达到几千万,拿到了国家科学技术进步二等奖,这个技术也是全球首创的。

(三)主动变位工作模式的索网结构

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主动变位索网是实现镜面变形的关键机构,要求有超强的抗疲劳性能,抵抗超高的应力,具有超高的长度精度。它所受应力达到500MPa,是标准规范的两倍多;索网的跨度达到500m,而长度的精度是正负1mm。FAST的超高抗疲劳性能的钢索结构,可以在200万次的循环加载条件下疲劳强度达到500MPa。

五、  FAST电磁环境、稳定性及设计寿命

这个项目对台址的要求非常高,洼地的形状要圆,交通要便利,地质还要稳定,没有无线电干扰,等等。最后选择评价了两个地区,建立了300多个洼地的数据库,利用遥感和地理信息技术,建立了1:1000的数字高清模型,加上虚拟现实技术,仿真模拟,最大限度地减少了开挖量和填充量;另外还对于当时的地址和水文条件进行了分析,对能否满足排水以及地质灾害稳定性等进行了分析评价,通过对这300多个洼地进行分析,最后选定了大窝凼这个地方。

电磁环境,在5公里之内完全要电磁屏蔽,100公里要限制强干扰源。现在又开拓了旅游,手机等电子设备都会产生电磁干扰。一个是稳定性。稳定性。望远镜是个柔索结构,钢索非常长,有百米以上,那么长又是柔性的,肯定会发生一些型变,要控制非常难,静态情况下控制非常好,动态情况下要抗多少级风?旅游路线的安检比机场还严格,旅客只能走旅游的路线,现场是进不去的。你的手机必须要存起来,相机只允许用胶卷相机,如果是大电池还不成,钮扣的电池还可以。只有这样才让你去观测平台。

望远镜本身也有很多电磁设备也得屏蔽。多方面的应对措施确保望远镜的运行环境。

稳定性方面,做了全过程的仿真。有一些指标,如阻力系数、阻力比,无法用小模型进行完全的仿真,在6米每秒风速的情况下要能够工作,到了8米每秒情况下就考虑到安全性的问题,就要进入收藏状态了。望远镜500米的天线的灵敏度非常高,手机基本上在边上一开,望远镜整个信号就爆掉了,就跟平常看蜡烛,突然一个大灯照射过来了,就起到那样的效果。

整个设备环梁、反射面塔,都是按照30年的寿命设计标准进行设计的,有一部分设备是要定期进行更换的,6索是每5年进行更换一次。从70MB到3G分了7个探测器,一开始希望用7个馈源,整个装在馈源舱上,这个望远镜是一个柔索控制的,用哪个馈源可以很方便地切换过去。但是因为馈源舱重量的限制,要实现会带来一系列的问题,包括钢索的安全系数的影响,绳径比的选择等。


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