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科普知識----中國天眼(球面射電望遠鏡)

2020-12-14  溱湖之戀

科普知識-----天眼(球面射電望遠鏡)

作者:中國攝像師潘長宏

2020年12月14日

朋友們,今天我想和大家一起了解一下中國的球面射電望遠鏡(中國天眼-簡稱FAST),我主要從以下五個方面和大家分享一下,一是天眼的概況;二是天眼主要工作目標;三是天眼工程的五大系統;四是天眼的主要關聯構造;五是電磁環境、穩定性及設計壽命。

  遠處鏡頭拉的拍攝


一、 FAST簡要概述

天眼是一個中國自己研制的球面射電望遠鏡,這座耗資12億元人民幣,歷時5年建成的望遠鏡,被譽為“天眼”,位于中國貴州偏遠的一個大洼地中。一個只有中國科學家才能參與對望遠鏡初步觀測數據的研究項目。2016年開始測試以來,直至2019年10月止已經發現了100多顆脈沖星。它500米寬的碟形天線由大約4400塊單獨的鋁板組成,有超過2000個機械絞盤用于操縱其傾角,可以聚焦天空的不同區域。

  

這一重大國家項目(FAST)首席科學家、總工程師南仁東,在1994年起,一直負責FAST的選址、預研究、立項、可行性研究及初步設計。 2016年9月,FAST落成啟用,2017年9月15日晚,南仁東因肺癌逝世,享年72歲。2018年12月18日,黨中央、國務院授予南仁東同志改革先鋒稱號,頒授改革先鋒獎章,并獲評“中國天眼”的主要發起者和奠基人。2019年9月17日,國家主席習近平簽署主席令,授予南仁東“人民科學家”國家榮譽稱號。2019年9月25日,被評選為最美奮斗者”。有一個學者寫南仁東是這樣描述:在這個小房間里,張承民看著慷慨激昂、仿佛在演講的南仁東,感覺他有點像西班牙小說里的堂吉·訶德,原來這世上真有為理想而生的人;又覺得他更像中國的譚嗣同,是一個可以為理想而死的人?!?/span>

上海天文臺臺長、中國科學院FAST監督委員會聯合主席沈志強表示,現在全世界的研究人員都將可以使用其觀測數據進行研究。

二、 FAST主要工作目標

FAST工程總體介紹FAST的主要科學目標500米口徑球面射電望遠鏡(FAST—Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)主要科學目標包括下列5個方面:

1、    巡視宇宙中的中性氫

中性氫是在宇宙形成之初存在的元素,基本上記錄了整個宇宙演化的過程,可以幫助我們研究整個宇宙的起源和演化;

2、    觀測脈沖星

脈沖星是恒星能源消耗完以后形成的,是FAST研究的一個重點;

3、    主導國際VLBI網

國際大射電望遠鏡陣VLBI網,因為FAST參加將提高整個網的性能;

4、    探測星際分子

這對包括宇宙的組成、生命的起源等等都有重要的意義;

5、    搜尋星際通訊信號

這種信號在某種意義來說是高級外星的生命所發出的。

三、FAST工程的五大系統

FAST工程包括了五大工藝系統,建設地點是貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮金科村大窩凼洼地。

1、    臺址與基地系統

我們的FAST臺址選在貴州大窩凼,這里有得天獨厚的優勢:首先,選擇的地方接近于一個球面形狀,對于我們的望遠鏡,整體工程的開挖量少,總投資少。第二,選擇地是喀斯特地貌,是天然大漏斗,不會窩水。但是為了防止百年一遇的特大型洪水爆發,還修了排水隧道,把水排到一公里之外更深的窩凼。包括了進場道路、工藝設備基礎還有觀測基地,建綜合樓,其他的配套設施等,整個排水也是獨一無二的。第三,射電望遠鏡要求環境電磁干擾小,這里人口密度低,能發電磁干擾的大設備比較少,最終在周邊5公里建立電磁環境保護區比較容易實現。

2、    望遠鏡主體

總體指標,望遠鏡反射面的口徑是500米,半徑是300米。右圖是500米望遠鏡的剖面。C點是球面的球心。我們觀測某個方向的天體目標時,在天體和球心到反射面的連線上選取一個點作為拋物面的焦點,把以這個點為中心,周邊的300米的鏡面變形成拋物面,這個拋物面把天體目標發出的平行光聚焦到焦點上,我們的接收機(饋源)就安裝在這個焦點上。由于變形拋物面的直徑是300米,所以雖然FAST是500米口徑球面射電望遠鏡,實際上我們使用是其中300米。

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如果我們對同一個天體目標進行跟蹤,因為地球在自轉,所以天體目標在運動,在運動過程中,這個臨時的拋物面要一直不停地跟蹤變化。這樣反射面不斷變形,接收機在空中也要運動,它運動的范圍是一個球冠面,在空中的直徑是200米,所以饋源在空中運動范圍是200米。最低點為37米,最高點為140米,整個是在空中運動的。望遠鏡焦點比是0.4611,覆蓋的天頂角為40度,包括40度以外的目標就無法看了。望遠鏡的工作頻率是70MHz到3GHz,L波段靈敏度為2000m2/K,分辨率為2.9′,19個波束,觀測換源時間<10min,跟蹤精度為8″。

3、主動反射面系統

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為了能對反射面進行控制,進行變形,首先依地形建造圈梁,然后下面編成一個球形大網兜。這個大網兜的節點與節點是邊長11米的三角形,一共有4450個這樣的三角形,在上面鋪設反射鏡面形成大鍋。三角形每一個節點上有斜拉的鋼索,連到地面上,鋼索下面有液壓觸控器往下拽鋼索。這樣編織成的大網兜張得很緊,每一個節點都可以往上往下運動,一共有2225個,覆蓋了整個反射面。通過這個聯合的控制,精確調節每個節點的運動距離,就可以使得球面變形成拋物面,這是主動反射面做的主要的工作。

我們的大網兜不能依著地面建,下拉索跟地面之間要有距離,否則無法運動。整個望遠鏡的反射面其實是浮在空中的,下拉索節點離地面最近的地方3米多高,下面可以開汽車。

這樣做的好處是我們的饋源接收機可以做得比較簡單輕巧,如果沒有變形的拋物面聚焦,球面聚焦就會成為一條線而不是一個點,就需要很長的接收機來接收信號。我們還可以通過比較簡單的方式實現饋源接收機的運動,這也是一項重要創新。

4、饋源支撐系統

饋源接收機在空中的定位有精度要求,離不開測量和控制,饋源支撐系統就是一個測量與控制系統。大網兜下面有2225個下拉索來實現球面到拋物面的形狀改變,這些下拉索在窩凼里面是密密麻麻的分布的,所以有一個綜合布線系統,把所有的動力和控制信號引入到每一個控制的液壓觸控器上。還要建一些基礎測量的測量網、測量基準等等,包括饋源接收機的測量與控制,主動反射面變形的測量與控制,以及整個望遠鏡的總控。

5、接收機與終端系統

  

FAST的觀測頻率是從70到3000MHz,根據不同的波段接收機的形狀不一樣。有振子的方式,還有喇叭的方式,一共是7套。


  

總體上說,FAST工程有三大創新,第一是利用了地球上獨一無二的喀斯特地貌作為FAST望遠鏡的臺址,第二是采用主動變形的拋物面反射面,第三是通過6塔6索的支撐方式實現了輕型饋源接收機運行方式。因為有了這三大創新,FAST望遠鏡才能夠呈現在大家眼前。FAST建成以后,將實現中國射電天文技術從追趕到領先的跨越式發展,在未來20年之內將保持世界的領先地位。

四、FAST主要關聯構造

(一)大跨度柔索牽引并聯機構.

(二)動光纜的研制.

(三)主動變位工作模式的索網結構。

(一)大跨度柔索牽引并聯機構

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為了實現射電望遠鏡的高精度指向跟蹤,我們的饋源支撐系統采用了大跨度柔索牽引并聯機構設計,它由6塔6索1艙1平臺構成,即6座百米高的支撐塔,6套索驅動,1個重約30噸的饋源艙,1座艙??科脚_。這是世界上在建的最大的牽引并聯機構,也是FAST的三大自主創新之一。從技術上講,它是一個柔性的并聯機器人拖動一個剛性的并聯機器人。整個饋源系統的運動由一套控制系統自動實現,它可以根據不同的工況制定相應的控制策略,通過測量反饋的數據,控制6條索的出索速度來調整饋源艙的位姿,控制實現的指標是:空間位置最大誤差≤48mm,空間姿態誤差≤1°。這是我們整個系統的核心技術,是由我們獨立研制的。

這樣一個巨大的機構,安裝工藝很復雜。例如穿索,一根索的長度是600多米,重量6噸,如何把6噸的鋼絲繩拖到水平跨度300米,高差277米的平臺上,是一個考驗,我們專門修了一條軌道將大設備一件一件拽上去。為了這個龐大的牽引并聯機構能夠實現精確控制,我們進行了大量的實驗,從室內3米模型調試,驗證核心算法,到6索帶載聯調,測量饋源艙在每一個位置位置誤差和姿態誤,一步一步地對于各個技術環節進行了驗證。

FAST對電磁環境的要求非常高,整個索驅動設備屏蔽的要求達到了國際D級標準,饋源艙要求已經突破了D級。設備中有很多大功率電子器件和運動機構,很多技術方案都是首次使用的。電機顫動的過程中通過軸連著卷速機,必須和墻之間有縫,導致電磁波會外泄,這對于望遠鏡是不可以承受的。我們采用一個迷宮的形狀,讓電磁波經過這里時在迷宮里面進行衰減,最后傳不出來,這個技術也我們首創的,已申請了相關的專利。

(二)動光纜的研制

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動光纜是FAST的視神經,負責饋源艙控制信號和天文觀測信號的傳輸。它的性能要求非常高,一是要耐反復彎曲,我們要求能反復彎曲1萬次;二是要求光纜在運動狀態下信號衰減小于0.1dB。但是我國現在的國標是反復彎曲100次,光纜附加衰減小于0.2dB,遠遠不能達到FAST的要求,而國外又對我們進行技術封鎖和禁運。我們花了四年時間和三家單位進行合作,反反復復做實驗。我們做了6.6萬次實驗,包括扭轉、拉伸、滲水的實驗等等。通過這些機械性能實驗,我們對于光纜有一個初步的認識。為了確保性能的可靠,我們又做了光纜模擬工況實驗、疲勞加速實驗。前6.6萬次,每天監測1小時;后面的實驗做到10萬次,我們每周監測1小時。最后通過了10萬次的彎曲疲勞壽命實驗,附加衰減小于0.05dB。烽火集團公司為了研制光纜,他們自己也做了耐反復彎曲光纖的研究,最后成功了,還應用到其他領域,現在的銷量已達到幾千萬,拿到了國家科學技術進步二等獎,這個技術也是全球首創的。

(三)主動變位工作模式的索網結構

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主動變位索網是實現鏡面變形的關鍵機構,要求有超強的抗疲勞性能,抵抗超高的應力,具有超高的長度精度。它所受應力達到500MPa,是標準規范的兩倍多;索網的跨度達到500m,而長度的精度是正負1mm。FAST的超高抗疲勞性能的鋼索結構,可以在200萬次的循環加載條件下疲勞強度達到500MPa。

五、  FAST電磁環境、穩定性及設計壽命

這個項目對臺址的要求非常高,洼地的形狀要圓,交通要便利,地質還要穩定,沒有無線電干擾,等等。最后選擇評價了兩個地區,建立了300多個洼地的數據庫,利用遙感和地理信息技術,建立了1:1000的數字高清模型,加上虛擬現實技術,仿真模擬,最大限度地減少了開挖量和填充量;另外還對于當時的地址和水文條件進行了分析,對能否滿足排水以及地質災害穩定性等進行了分析評價,通過對這300多個洼地進行分析,最后選定了大窩凼這個地方。

電磁環境,在5公里之內完全要電磁屏蔽,100公里要限制強干擾源?,F在又開拓了旅游,手機等電子設備都會產生電磁干擾。一個是穩定性。穩定性。望遠鏡是個柔索結構,鋼索非常長,有百米以上,那么長又是柔性的,肯定會發生一些型變,要控制非常難,靜態情況下控制非常好,動態情況下要抗多少級風?旅游路線的安檢比機場還嚴格,旅客只能走旅游的路線,現場是進不去的。你的手機必須要存起來,相機只允許用膠卷相機,如果是大電池還不成,鈕扣的電池還可以。只有這樣才讓你去觀測平臺。

望遠鏡本身也有很多電磁設備也得屏蔽。多方面的應對措施確保望遠鏡的運行環境。

穩定性方面,做了全過程的仿真。有一些指標,如阻力系數、阻力比,無法用小模型進行完全的仿真,在6米每秒風速的情況下要能夠工作,到了8米每秒情況下就考慮到安全性的問題,就要進入收藏狀態了。望遠鏡500米的天線的靈敏度非常高,手機基本上在邊上一開,望遠鏡整個信號就爆掉了,就跟平??聪灎T,突然一個大燈照射過來了,就起到那樣的效果。

整個設備環梁、反射面塔,都是按照30年的壽命設計標準進行設計的,有一部分設備是要定期進行更換的,6索是每5年進行更換一次。從70MB到3G分了7個探測器,一開始希望用7個饋源,整個裝在饋源艙上,這個望遠鏡是一個柔索控制的,用哪個饋源可以很方便地切換過去。但是因為饋源艙重量的限制,要實現會帶來一系列的問題,包括鋼索的安全系數的影響,繩徑比的選擇等。

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