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【科学沙龙】中国天眼FAST的技术进展和相关问题

来源:科学智慧火花 浏览次数: 日期:2017年7月22日 11:47

【简介】

中国天眼FAST(500米口径球面射电天文望远镜),是由中科院国家天文台主持研制,从提出计划、设计、施工建设,经过20多年的努力,于2016年9月竣工落成。这是我国具有自主知识产权、当前世界上单口径最大、最灵敏的射电望远镜。它的落成启用,对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。本次沙龙邀请FAST工程的副总工艺师孙才红研究员和FAST工程馈源支撑系统副总工程师潘高峰高级工程师介绍这一工程的总体情况和主要技术进展,并对相关问题进行讨论。

【主持人致辞】

汪克敏:今天的沙龙介绍和讨论中国天眼FAST的技术进展和相关问题,我们邀请到FAST工程的副总工艺师孙才红研究员和FAST工程馈源支撑系统副总工程师潘高峰高级工程师来给我们作报告。下面请我台党委书记、副台长郑晓年致辞,他也是我们FAST工程项目的负责人。

 

郑晓年:各位专家和老领导,大家上午好!非常欢迎大家来天文台来参加今天的学术沙龙。我到天文台也是因为FAST工程,去年9月份,我们FAST工程竣工落成启用了,现在是在调试阶段。非常高兴能跟大家在一块儿分享我们的一些心得和体会,也希望各位专家继续给我们指导、关心和支持。谢谢大家!

 

 

【主旨报告】

 

孙才红:FAST工程总体介绍

一、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)是“十一五”国家重大科技基础设施项目,它的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。

 

二、FAST工程的工艺系统

FAST工程包括了5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,总投资为11.5亿元。

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。

 

 

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

 

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

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。

 

 

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。

参与FAST建设的单位很多,有百十多家。媒体对于我们的项目也很关注,包括国家媒体和世界媒体,国家领导人对于这个项目也很重视,国务院在关于贵州发展的问题上专门提到了FAST望远镜的作用,今年习总书记的元旦献词里面提到的第一个大科学工程建设就是FAST望远镜,去年9月25号落成启动仪式上,刘延东国务委员参加了仪式,习总书记专门发来了贺信,要求我们早出成果,多出成果,出好成果,出大成果,我们一定不辜负国家和人民对我们的希望。

谢谢大家!

 

 

    【邀请报告】

潘高峰:FAST工程的“中国制造”

各位专家上午好!我们FAST工程从1994年开始预研,到现在已经经历了20多年,前前后后有几千人参与了这个工程,而我们FAST团队也从最初的5个人发展到现在的100多人,其中包括北京本部大概不到100人,贵州现场还有20-30人。下面我对整个工程中由我们自主研制和制造的一些先进技术做一个汇报。主要介绍三个方面:一是大跨度柔索牵引并联机构,二是动光缆的研制,三是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

 

 

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

 

 

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

 

 

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。FAST工程对于索结构的精度也不是传统的索结构可以比拟的。这些对于我国钢索生产制造水平是一个巨大的推动作用。另外,大跨度的索模结构安装技术,也是为FAST专门设计的。在这当中,我们有大量自主知识产权的专利技术,这个索网的结构,已经获得了北京市科学技术进步一等奖、广西省技术发明一等奖、以及钢结构协会的特等奖等。

谢谢大家!

讨论与交流

田国良:这个项目从预研开始,经历了艰辛的二十几年漫长的道路,终于看到了一项创新性非常突出的大成果。我感到它不仅在科学上有重大的意义,对探索宇宙有非凡的能力和作用,而且对拉动贵州省的经济发展也起到了作用。我认为这项工程不仅有许多重要的技术创新,而且在组织实施上也有很重要的创新。因为这是一个复杂的系统工程,涉及到设计、选址、施工、建设、最后运行,这样一个漫长的链,哪个环节都需要各个方面合作努力。我们以天文台为核心组织了科学院最有能力的研究所,和国家施工单位集中在一起,总共有一百多个单位,强强联合,才使这样一个复杂的工程得以实现,创造了中国的奇迹,这也可以说是世界的奇迹。

1994年,当时我在遥感所主管科研和教育工作,天文台派人到遥感所咨询射电望远镜的选址问题。我们很重视,选派了一位同志,他本科是水文工程地质专业,在贵州省地质局从事黔南岩溶地貌的研究,后来到遥感所的。他后来被天文台聘任为FAST台址选址总工程师,负责台址的工程、地质工程勘察和地面开挖的工作。我们选了一位有很强的地质学背景和遥感地理系统背景的专家来做这项工作,是因为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。最后我们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,我们建立了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;另外我们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。

通过这项工程,我们体会到科学院要全链条工作才能把这样一个复杂的大型工程很好地完成。我们体会到遥感地理信息系统能够在国民经济方面发挥作用。我们和天文台有很好的合作,除了FAST工程选址以外,我们在探月工程和深空探测方面也有合作,我们也愿意和各单位相关的工作进行合作。

 

桂文庄:听了今天的报告感到非常震撼,这个工程确实是非常了不起,非常复杂、水平非常高,这对我国结构工程的进步,应该说推进作用非常大。刚才孙老师讲到两个非常重要的事情,一个是电磁环境,一个是稳定性。我想问问,电磁环境要求这样高,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。因为旅游对地方经济很重要,大家很关心,怎么样才能保证既搞好旅游又使得电磁环境部首干扰?第二个问题是稳定性的问题。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,你们现在如果在静态情况下控制非常好,动态情况下怎么办?比如说有风,风会使得整个发生振动,这种振动将来会对你们的系统有多大的影响?能抗多少级风?多大的风力下不能工作了,这个事情不知道你们有没有数据?像这个地方的气候环境到底怎么样?对于观测,比如说我们正在做一个非常重要的观测,突然来了一股大风,会不会受到影响?另外贵州地震的问题会不会有影响?

 

蓝松竹:我解释一下第一个问题,因为我1月6号刚刚去过贵州FAST。那个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。当地还租胶卷相机,也卖胶卷。只有这样才让你去观测平台。所以远远比机场检查要严格得多。

 

孙才红:这个问题我们前期专门跟当地政府沟通过。他们是去年国庆以后正式营业的,这方面管理确实很严格。我们望远镜本身也有很多电磁设备,我们自己也得屏蔽掉。设备运行一段时间后也可能出现一些问题,要通过多方面的应对措施确保望远镜的运行环境。

第二个问题有关精度。关于稳定性,从一开始望远镜建设的预研阶段,我们就做了全过程的仿真。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,但是总的来说还是对后期施工有一定的指导意义。我们的要求是在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。观测过程中稳定性从仿真没有问题,我们通过现场的实测包括也有风比较大的时候,总体的目标的性能指标即使有风也达到了要求,没有风的情况下,风比较小的情况下比我们所希望的指标还要好,这方面整体的稳定性方面没有问题的。

 

桂文庄:能抗4、5级风吗?

 

潘高峰:风速是8米每秒,超过这个不工作,正常应该是4、5级风。

 

孙才红:我们一般是注意风速,有一个好处是在窝凼里面,外面风大,窝凼里面的风比较小。

 

桂文庄:馈源要升得很高,也有30多吨重。

 

孙才红:还是比较低,因为塔顶基本上和周边的山顶相平,所以馈源整个即使很高,也还是在窝凼的小环境里面,这个小环境风速比外面小很多。

 

李致洁:整个工作区域5公里以内对于电磁波的信号要求那么严苛,工作区域对外界的通讯联系通过什么方式呢?

 

孙才红:现在主要的通过有线网络电话,主要是光纤。我们到那儿以后,手机基站都没用了,都没有信号的。

 

李致洁:手机信号功率那么低,会有影响吗?

 

孙才红:望远镜500米的天线的灵敏度非常高,我们的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。

 

王柏懿:的确感觉很震撼。天文台从1994年开始探索一直到2016年建成,实在是非常令人感动。有些事情还想了解一下。第一,你们有很多的钢索,很多的接头,很多工人在那儿,你们怎么能够保证它的质量?每一个螺钉怎么保障的?你们用了这么多大量的钢材是国产的还是进口的?未来维护这么多的东西,会不会变形,怎么保证它的精度?第二,你们刚才介绍说,500米望远镜只是一个开头,以后还会在周围分布的数百公里范围内有多个天线构成一个宏大的工程,能够再介绍一下前景吗?要在多少年以内的未来能够看到?

 

潘高峰:第一,主要的工作量是在索网,有很多根。我们首先把索网划成5个区,每一根钢索都有编号,全都是一个一个核查的,进哪一批都对应。钢材,我们的圈梁还有索网都是国产的,包括索网里面也有一些新的技术,加了一些涂层,所以比平常的更抗弯曲,做了大量的实验优化改进。变形方面,时间长了应该会有变形,像对馈源舱下行台,因为我们吊舱有30吨重,首先没有办法做得特别高,因为有重量的要求,根据前期的方案优化来说,馈源舱的重量是在30吨对整个控制最好,而且尺度又非常大,下平台位置和姿态是在变化的,舱时刻处于不同的姿态,变形肯定不一致,但是我们最终是考虑末端的位置控制精度,所以允许有一定的变形,对于控制没有太大的影响。像反射面我们对于姿态或者精度有一些调整机构,可以进行调整的。

 

李致洁:用了那么多钢铁,生锈的问题怎么解决?

 

潘高峰:圈梁采用了普通常规的钢铁,防腐措施是刷油漆,工艺都有严格的要求,首先一定要打磨干净晾干了一遍一遍刷,定期补漆。另外塔是有涂层的,这样的防腐措施基本上保证塔几十年都没有事。针对有一些材料,我们采用了铝合金或者不锈钢的材料做防腐,因为是当地是多雨的天气,有时候会有酸雨,腐蚀要求非常高,一部分通过刷油漆保证,一方面是通过热喷涂。

 

李前康:有没有质量部门和管理部门?

 

潘高峰:除了正常的施工单位有自检,现场有建立还有管理公司,还有天文台本身的现场人员对整个工程进行监测。

 

孙才红:维护运营的时候,所有的部门都会包括的。建成以后我们会有专门的维护运营队伍,这个队伍每天要按照各个设备所提出的维护运行要求进行所有的检查,有问题及时发现,该修理修理,钢材上面的漆层有破坏,都要及时修复。整个设备本身有很多环梁、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,维护都是专业单位,专门的队伍进行每天的运营。

 

李前康:我们电子所的军工任务特别强调质量,必须要有控制,专门成立了质量控制中心,到现在军标名品都按照要求,从开始到最后都在抓,出了问题好承担责任。你那么长的铁索在空中悬挂,这个东西是在天上的,你怎么管理的?

 

潘高峰:我们有专门的表格,针对每一项设备多长时间做什么样的维护,包括上面都有记录,什么时间做了什么样的检查都有签字的。

 

孙克忠:有没有建立质量控制体系。

 

潘高峰:都是严格按照质量管控的。

 

何远光:多长时间调整一次?

 

孙才红:不同的设备都不一样的,卷扬机还有液压制动器,所有的要求都不一样。我们必须按照要求,建一个总表,专门的人负责该什么时候维护,这些人每天都会在设备边上进行检查发现问题解决问题。

以后在方圆几百公里建设,目前没有这个计划。可能是平方公里阵的时候,当时希望能够选址在中国,所以有不同的方案,包括以若干个大望远镜组阵或者若干个小望远镜组阵,现在还没有这样的设想。

 

蓝松竹:从70MB到3G分了7个探测器,是同时工作还是每次换一个波段工作呢?

 

孙才红:我们一开始希望用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。现在有3个馈源在同一个平台上,可以很方便的切换,其他的要把馈源舱降下来以后进行更换。

 

蓝松竹:天文讲全波段测量,现在看来各个波段并不能同时。

 

孙才红:能同时,我们是抛物面,只有一个焦点,不像光学的可以进行分光,我们最多有19波束的,是同一个波段。

 

蓝松竹:是不是7个探测器也有重叠,波长或者频率覆盖面也有叠加?

 

孙才红:有叠加的,早期是1.62GHz,其他的馈源也有。

 

桂文庄:FAST在深空探测中有什么作用?

 

孙才红:目前好像还没有这方面的设想,主要在于需求,包括探月,有一些计划也许会用,目前还没有具体这方面的要求。

 

桂文庄:火星探测这样的计划能用吗?

 

蒋世仰:那是一样的,这个望远镜更有威力,那么遥远的距离,接收面积大就接收好一些。

 

孙才红:还得考虑望远镜自身的能力,我们的天空覆盖范围是40度,有一些根本看不到,想用都用不了。

   

桂文庄:今天这个沙龙确实令人大开眼界,大家都说非常震撼,这样一个非常了不起的工程,在我们科研人员和工程技术人员的共同努力下,历经十多年的时间,现在工程结束了,很圆满,这是很了不起的,确实对技术进步起到了很大的推进作用,而且有很多代表我们自己的创新,在国际上也是领先的。非常感谢两位演讲者作了非常好的报告,谢谢你们对老科协做出的贡献,谢谢大家。

 

何远光:我想做点补充。我们在座的人的心情,一是震撼,二是骄傲,三是自豪,你们的工作值得骄傲,由于你们的工作给我们科学院增加了自豪感。你们的工作让我们真正体会到你们是个了不起的团队,能代表科学院的最高水平,代表国家的最高水平,站在世界巅峰,这非常不容易,我们应该感谢你们,应该向你们致敬。你们的工作做得很好,但是宣传力度还不够,所以我希望你们一定要把你们的工作情况,建设情况,把青春才华奉献到这里的情况,宣传出去。你们从1994年开始预研工作到现在,最好的年华已经奉献在这一件事情上,这个精神真不容易。希望一定要把这些好东西宣传出去,让更多的同志了解你们伟大的事迹、崇高的精神。

感谢两位所长参加这个沙龙,也感谢你们邀请了我们那么多的分会的同志参加这个沙龙。

 

汪克敏:感谢老科协的几位老领导对于我们很大的鼓励和鞭策,也提出了一些要求,我们尽快根据这些来做好。谢谢各位领导专家参加今天的沙龙会议。

 

2017-05-18  阅读原文

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