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锅太大不好刷?中国天眼FAST氦气球蜘蛛人亮相

来源:光明网2019-09-04 11:09

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  中国天眼FAST又添了一道亮丽的风景线啦!氦气球蜘蛛人开始在望远镜的大锅(反射面)上面自由行走了。

  这个氦气球蜘蛛人是个啥呢?其实就是FAST的工作人员(蜘蛛人)背上一个氦气球,通过气球浮力让人的体重降至只有原来的六分之一左右,达到望远镜的反射面结构能够承受的一个重量。蜘蛛人在这样一个与月球表面类似的重力环境下行走,就像美国阿波罗登月宇航员一样,充满了轻飘飘失重的乐趣和新奇体验。当然,FAST的工作人员在锅面上行走的主要目的是高效率地完成对FAST反射面的检查和维护作业。

锅太大不好刷?中国天眼FAST氦气球蜘蛛人亮相

锅太大不好刷?中国天眼FAST氦气球蜘蛛人亮相

  图1 蜘蛛人在反射面上行走

  FAST全称是500米口径球面射电望远镜,它的反射面是一个开口500米,曲率半径300米的球冠面,其面积相当于35个标准足球场。为了给反射面下方的螺旋盘山道路留出机动车通过的空间,反射面离地高度都在4米以上,其边缘因为地形的起伏最高可达50米。它的上表面是一层厚度仅2mm的悬空支撑的打孔铝面板,铝面板下面是数千块反射面单元背架、索网、节点盘等附属结构/机构零部件,正常情况下无法承受一名工作人员的体重。这样一口包含成千上万个零部件的球面大锅,如何实现日常的检查和维护作业是一个大难题!

  500米的跨度、50米的高差和边缘近60度的曲面倾角等现场条件使得工作人员对天眼大锅进行检查维护的作业难度大大增加,这些也足以将现有的各种吊车设备拒之门外(普通吊车的吊臂难以覆盖或兼顾如此巨大的曲面范围)。如果使用小型移动式机器人代替人工作业,且不说作业的复杂性,一旦抛锚了,还得想办法把它捞出来,于是氦气球蜘蛛人呼之欲出。

  在这口大锅里放飞数个氦气球蜘蛛人是个不错的想法,可以对大锅不同区域同时作业,蜘蛛人完全可以胜任各种复杂作业,在解决安全问题后也是十分可靠的。

锅太大不好刷?中国天眼FAST氦气球蜘蛛人亮相

  图2 氦气球飞跃反射面圈梁

  那么氦气球蜘蛛人是怎么在大锅里行走的呢?我们知道阿波罗宇航员在月球上采取了袋鼠式跳跃的前进方式,因为人在微重力环境下蹦跳前进比跨步行走更容易控制平衡。出人意料的是,我们的氦气球蜘蛛人采用了爬行的姿势。看起来似乎不符合人体正常的直立习惯,但这样重心更稳,也方便工作人员检查和维护贴近锅面的零部件。

  在氦气球浮力的牵引下,人在直立姿势下想趴下来十分困难,所以一开始就改为了爬行模式。为了防止局部压强过大损伤锅面,工作人员的手掌、肘部、膝关节和脚尖均佩戴扩大接触面积的缓冲垫。在倾角较大时,我们减少氦气球蜘蛛人的净重力,蜘蛛人借助抓握反射面板之间的缝隙进行攀援,可以很轻松地攀爬到正常重力情况下难以到达的高度。

  那么氦气球蜘蛛人是怎么跨过50米的高差进出大锅的呢?很简单,我们通过增加或减少设备配重,将氦气球蜘蛛人调成微浮力或微重力模式,他们就可以轻飘飘地越过50米的障碍,飞进或飞出大锅。

锅太大不好刷?中国天眼FAST氦气球蜘蛛人亮相

  图3 氦气球蜘蛛人准备放飞

  可能有人会问,在微重力情况下如果有风怎么办?会不会给吹跑了?确实,这是氦气球蜘蛛人面临的最大问题。幸运地是,大锅里恰好有23个突出反射面的均匀散布的测量基墩。从蜘蛛人引出至少3根牵引绳分别栓到3个基墩上就构成了一个巧妙的安全辅助系统。

  大风环境下,3根牵引绳张紧,帮助蜘蛛人就地固定在锅面上,等待大风过去后继续作业;小风或无风环境下,3根牵引绳松弛,蜘蛛人依靠自身的爬行或攀援自由行走。幸运的是,FAST所在的贵州地区属于静风环境,大风天气极少,有利于氦气球蜘蛛人的行走和作业。

锅太大不好刷?中国天眼FAST氦气球蜘蛛人亮相

  图4 蜘蛛人攀援到反射面边缘

  氦气是一种非常安全的惰性气体,具有很高的浮力。可能有人还会问,万一气球里的氦气泄露了怎么办?首先,气球材料是特制的防氦气渗漏、防撕裂的高强度复合纤维材料,拥有多种飞艇等浮空器的使用经验;其次,气球本身带有气压调节装置,不会因为暴晒等高温引起气压过高导致气球爆裂。

  在FAST现场试验的成功标志着氦气球蜘蛛人这样一款完全创新的新型设备正式通过了它的可行性论证,下一步就是根据试验的结果从各个细节方面不断改进这款新型产品,直至定型、生产和采购。在不远的将来,大国重器FAST有了这款设备的加持,将会运行得更加安全和平稳。更让人啧啧称奇的是,来到FAST参观旅游或工作学习的人们将有幸目睹“大锅内滚小球”的奇观,从而为中国天眼增添一道靓丽的色彩。

  作者:李辉,系中国科学院国家天文台副研究员。主要从事FAST望远镜研发和运行调试工作,先后担任FAST馈源支撑系统副总工、FAST调试组结构与工程力学专业组长;姜鹏,系中国科学院国家天文台研究员,博士生导师,FAST总工程师。

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