正在阅读: “天眼”调试,让“眼珠”动起来!
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

“天眼”调试,让“眼珠”动起来!

来源:光明网2018-06-07 10:42

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

    “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 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 中国大熊猫保护研究中心迎来今年国内首只大熊猫幼崽

  • 2026味到京城美食节点亮北京夏日经济

独家策划

推荐阅读
“在洞窟里,把冷光灯打开,面对着千年壁画的那一刻,所有的烦恼都会瞬间远离,觉得能近距离接触如此杰出的艺术品,是很震撼、很幸运又很幸福的事。遵循这一“笨规矩”,于宗仁组织完成了莫高窟与甘肃省内外多处壁画彩塑保护方案与实施工作,例如莫高窟千像塔彩塑保护修复、莫高窟第196窟壁画彩塑保护修复,以及麦积山石窟部分洞窟的塑像壁画保护修缮等。
2026-06-11 10:23
国际科技出版机构施普林格·自然10日发布的自然指数2026科研领导者榜单显示,中国继续保持全球第一,2024年至2025年科研产出增长22.4%,是全球十强中唯一实现两位数增长的国家。机构表现方面,自然指数显示,中国科学院整体排名位列榜首,在除健康科学和社会科学以外的5个学科领域位居第一。
2026-06-11 10:23
量子传感是一种利用量子效应进行高精度测量的新技术。量子传感可通过增加粒子数量来提高传感性能,然而这面临一个重要挑战——量子热化。“这不仅深化了人们对量子热化这一基础科学问题的认识,也为发展新一代高灵敏度量子传感器提供了新的思路。
2026-06-11 10:23
扎根智能制造一线,很多像马遵农一样的年轻人用技术创新护航制造业转型升级。如今,基于模型的系统工程等方法已应用于飞机制造的各个环节,新工艺的研发更高效、更精准、更节约。
2026-06-11 10:23
阶段扩建,计划新增一个综合舱段,让空间站整体构型从“T”字变为“十”字。从初具规模的三舱组合,到不断扩容升级,中国空间站的成长,是中国载人航天稳步发展的缩影。
2026-06-11 10:23
6月9日16时23分,朱雀二号改进型遥六运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空。
2026-06-10 09:57
6月8日,火烈鸟在盐湖湿地嬉戏,成为一道亮丽风景线。
2026-06-10 09:57
日前,长江干线首个“复式航道”在安徽土桥水道和大通水道试运行,预计每日分流200余艘上行浅吃水船舶。
2026-06-10 09:52
近年,智能除锈凝胶与高相容性的新型加固材料的研发与成功应用,分别为脆弱青铜器无损清除锈蚀病害与矿化层加固提供了创新方法。
2026-06-10 09:51
为了让更多患者在关键时刻“用得上、用得起”,一群年轻的航天人坚定踏上了国产ECMO攻关之路。
2026-06-10 09:48
作为长江、黄河、澜沧江发源地,青海多年来持续推进三江源水生生物资源保护修复,持续巩固青海省高原河湖生态屏障。据悉,此次大批量土著鱼苗放流,进一步充实了黄河上游鱼类资源储备,对修复河道生物群落、改善水域生态环境具有积极作用。
2026-06-09 09:57
记者从自然资源部中国地质调查局获悉,“海洋地质六号”船近日完成深海地质调查第16航次科考任务,在深海地质环境调查、海洋探测关键技术装备研发应用等方面取得多项成果。
2026-06-09 09:56
培育新质生产力、建设现代化产业体系,是推动经济高质量发展、夯实中国式现代化产业根基的重要任务。未来产业依托前沿技术与颠覆性创新引领发展方向,赋能传统产业与新兴产业,拓展发展边界、培育全新增长点。
2026-06-09 09:52
人工智能与数智技术的发展,无疑是当下人们最为关切的议题之一。
2026-06-09 09:50
耕地是保障粮食安全的根本。当前,我国耕地质量总体呈现稳中有升良好态势,东北黑土地保护性耕作面积持续扩大,南方酸化耕地治理和北方盐碱地改造利用均取得积极进展。
2026-06-09 09:36
6月5日,记者从哈尔滨医科大学获悉,该校周钦、崔飞云教授科研团队融合人工智能、表面增强拉曼光谱检测与血液代谢分析技术,打造出一款全新的血液代谢分子解析检测平台。阿尔茨海默病是高发老年神经退行性疾病,依靠血液样本进行早期微创筛查,即液体活检,是当下临床医学的热点话题。
2026-06-08 09:56
近日,在山东胜利油田油区护卫中心,飞手贾承斌坐到电脑前,轻点鼠标,操纵室外无人机群升空。
2026-06-08 09:57
生态环境部日前发布的《中国履行〈生物多样性公约〉第七次国家报告》显示,截至2025年底,与生物多样性有关的27个国家目标中,我国有21个目标取得显著进展。
2026-06-08 09:57
大国工匠是我们中华民族大厦的基石、栋梁。大国工匠作为各领域的技艺集大成者,是工匠精神的生动代言人和时代典范,他们身上闪耀着执着专注、精益求精、一丝不苟、追求卓越的光彩。
2026-06-08 09:57
“甘肃是我国著名的‘有色金属之乡’,镍、钴、铂族金属等矿产资源储量全国领先,在国家战略资源安全保障中具有不可替代的地位。项目组将充分吸纳专家意见,力争提出务实管用、可落地、能实施的咨询建议,为保障国家资源安全贡献“甘肃方案”。
2026-06-08 09:57
加载更多