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“天眼”调试,让“眼珠”动起来!

来源:光明网2018-06-07 10:42

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    “中国天眼”FAST望远镜大家很熟悉了,自2016年9月25日落成启用后,FAST就正式进入为期3-5年的调试期。那么,FAST是如何进行调试的?这个过程中又有哪些突破和挑战呢?本期,我们特邀FAST工程调试核心组组长姜鹏为大家带来FAST调试的故事。

    一般来说,巨型望远镜调试都会涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科领域,是一项强交叉学科的应用性研究,所以国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于四年。而FAST开创了建造巨型射电望远镜的新模式,它的调试工作也更具挑战性。

    FAST巨大的接收面积注定了它有其它望远镜无法比拟的优势,即超高的灵敏度。但任何事情都是两方面的,你不可能占尽所有的好处,所以FAST在取得灵敏度优势的同时也付出了代价。

    相对其它望远镜来说,它的系统构成更加复杂(见图1)。一般望远镜只有俯仰轴和自转轴两套驱动控制系统。相比之下,FAST仅反射面控制就需要2200多台促动器协同动作,并且索网把2200多台促动器联在了一起,形成了一个复杂的耦合控制系统,可以说“牵一发动全身”。

“天眼”调试,让“眼珠”动起来!

    图1 FAST与传统望远镜的对比,明显看出FAST系统构成要复杂得多,也更容易受设备故障的影响。同时,还有30吨馈源舱漂在高空,安全风险极大。所以调试初期,我们更多关注的是安全方面的问题,一方面制定严格的安全措施确保安全操作,另一方面发展新的技术方法提高望远镜正常工作对设备故障的容忍度。

    我们不太可能每坏一台促动器就马上去维修它,不然促动器维修工作就会占用大量的有效观测时长。这时候,如何评估索网的安全就非常重要了。

    如果布置大量的传感器,传感的失效率、精度漂移等问题,可能会导致漏报或虚报故障的问题,这会令我们的工程师很头疼。

    为了提高整个系统对设备故障的容忍度,调试团队研发了一套非常有趣的主动安全评估系统,这个系统可以实时读取促动器的位置信息,并将其输入到力学模型中,实时地进行力学仿真计算。也就是说,索网怎么动作,计算机的索网模型就怎么动作,从而可以计算出所有索力并进行安全评估。

    必须得强调,这是实时力学仿真技术在安全评估领域的首次成功应用。力学仿真相比于传感器就可靠多了,它是数学工具,就像1+1永远会等于2,非常的简单可靠,非常适用于我们这个复杂的控制系统。

    馈源支撑系统也同样不简单(见图2)。它控制主要分两级。

    第一级是通过六根几百米的绳子对30吨的馈源舱实现的概略控制,要在140米高空、200多米的尺度范围内,把馈源舱定位精度控制在48毫米以内。

    第二级是通过舱内的AB轴(万向轴)和Stewart平台实现接收机二级精确定位,对安装在馈源舱内的接收机相位中心进行二次精调,最终需要实现的控制精度要达到10mm以内。同时,如果馈源舱在风、雨等动力载荷下产生晃动,二次精调平台,还可以起到消振的作用。怎么样,想想都觉得不可思议吧。

“天眼”调试,让“眼珠”动起来!

    图2 馈源支撑控制系统原理图,可见馈源支撑系统的控制分两级,第一级是通过六根钢索实现馈源舱48mm的定位精度,第二级是通过舱内的精调平台实现10mm的定位精度,而且这个精度是在140米的高空,200多米的范围内实现,看着就很难吧?

    尽管FAST做了3米、10米、30米和50米的模型试验。但是动力学实验很难实现完整的相似性,例如阻尼特性的实验就很困难。所以不管你做多少实验,都不能说明600米尺度下会不会有问题。

    非常地幸运,经过调试团队半年左右的努力,发展的实时力学仿真技术大幅提升望远镜对设备故障的容忍度,馈源支撑系统也实现了系统集成,最终于2017年8月27日第一次完成了反射面和馈源支撑的协同动作,首次实现了对特定目标的跟踪观测,并稳定地获取了目标源射电信号(见图3)。这意味着天眼的“眼珠”可以转动了!

“天眼”调试,让“眼珠”动起来!

    图3 2017年8月27日,“天眼”首次实现对特定目标源的跟踪,一次跟踪10分钟,一次跟踪40分钟,稳定地测到目标源的信号。这标志望远镜最具难度及最具风险的功能性调试完成了,这是有历史意义的一刻。

    此后,“中国天眼”就可以克服地球的自转,对天体目标源进行跟踪观测。要知道望远镜的灵敏度不仅与其接收面积有关,还与望远镜的跟踪时间有关。就像人的眼睛一样,只是扫视一下的话,我们只能看个大概的轮廓。如果想看清细节,就需要对着目标仔细地端详一段时间。

    其实,这也是FAST最重要的一个功能,只有能跟踪了,天眼才能充分发挥它的最优性能。南仁东先生曾经说过,不能跟踪就不能叫FAST,可见他对望远镜跟踪功能的重视和期待!

    相比国际上现有的大型射电望远镜,FAST是一架非传统的巨型射电望远镜,工作方式更加特殊,其调试工作没有成熟的经验可供参考。而且系统构成更加复杂、安全风险大,FAST团队能在短期内实现望远镜的全部功能性调试,完成了最困难、最有风险的调试环节,其进度已经超过国际一般惯例及同行预期。

    在实现望远镜的功能性调试之后,余下的任务主要就是如何提升望远镜的性能,相对来说工作的风险性要小很多了,但工作的细节和琐碎性更加繁杂。我们将在下期文章中作重点介绍,敬请期待!

    作者简介:姜鹏,国家天文台研究员,博士生导师,FAST调试核心组组长。曾获北京市科学技术奖一等奖,广西技术发明奖一等奖。北京青年五四奖章获得者。

    本期编辑:邵婷

[ 责编:蔡琳 ]
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