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西电智慧让“天眼”眼珠转起来

    你可能不知道,世界最大单口径射电望远镜FAST这个巨大的“观天巨眼”的眼珠子——由6座塔6根索驱动的馈源舱装置,凝聚着中国工程院院士、西安电子科技大学机电工程学院段宝岩教授所带领的团队智慧。
    创新设计方案由西电首提 将馈源系统由万吨级降至30吨
    1993年,在日本京都召开了第23届国际无线电科联大会,包括中国在内的10国天文学家联合发起了建造接收面积达一平方公里的“新一代大射电望远镜计划”倡议。为达到这个硬指标,又要工程上可实施、造价上可接受,像美国阿雷西博射电望远镜那样,利用喀斯特地貌建造单口径射电望远镜就成为了必由之路。
    1995年,中国天文学家终于在贵州南部找到了这样的位置。这一年,第三届国际大射电望远镜工作组会议在贵州召开。在这次会议上,西安电子科技大学茅於宽教授关于圆柱表面相位阵、王家礼教授关于低造价反射面的报告,尤其是段宝岩教授所作的关于大射电望远镜馈源支撑的光机电一体化创新设计的报告,受到了国内外专家的高度关注。
    这一方案的核心就是将原阿雷西博方案中用于支撑线馈源的钢结构,用计算机伺服系统控制的从6个塔顶伸出的6根大跨度柔索来取代。同时,布置3台激光测距仪实时获取馈源的实际位姿,通过6根索长度的自动调整,将馈源调回到所允许的误差范围之内。
    “新方案不仅可将馈源支撑结构系统的自重降至约30吨,工程实施和造价变得可行,还克服了阿雷西博方案中结构稳定性方面的不足。”段宝岩解释说,而如果照搬阿雷西博的设计方案,新一代大射电望远镜将会出现三个难题:一是工程造价太高;二是纯机械跟踪控制系统的精度低;三是工程难度大,500米口径时悬空背架的重量理论上将近万吨,工程实施难度极大。
    如今,FAST工程馈源部分就直接采用了段宝岩提出的六索驱动的设计方案。这一光机电一体化馈源索支撑方案,与利用贵州喀斯特地形建造射电望远镜、创新性的主动球反射面一起,被誉为FAST工程的三大创新。
    “眼珠”定位技术源自西电 可确保精度不超过4毫米
    如果说球形洼地是这只“观天巨眼”的“眼窝”,那么由悬索支撑的馈源舱与馈源就是“观天巨眼”的“眼珠”。而FAST的“眼珠”定位技术正是源自西电。
    由于由悬索和馈源舱组成的舱索结构在工作中难免会受到风荷等外界干扰,仅靠悬索的控制很难使馈源舱达到指标要求的毫米级动态定位精度。为此,段宝岩团队提出了粗、精两级调节来实现馈源高精度动态定位定姿的方案:首先通过6根悬索对馈源舱实现粗调节,再通过安装在馈源舱内的Stewart平台实现精调节。粗精两级调整平台,可确保馈源定位精度达到不超过4毫米的动态定位精度,满足要求。(马虎振)

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