中国天文科学大型装置的研制与应用(三)--500米口径球面射电望远镜(FAST)

1科学背景 射电天文学利用射电望远镜在无线电波段“观察”天体。传统射电望远镜的基本结构有3个主要部分——反射面、接收机和指向装置。来自太空天体的无线电信号极其微弱，70年来所有射电望远镜收集的能量还翻不动一页书。阅读宇宙边缘的信息需要大口径望远镜，由于自重和风载引起的形变．传统全可动望远镜的最大口径只能做到100米。

国家天文台500米口径球面射电望远镜台址球冠型边坡稳定性分析

中国科学院国家天文台500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)台址位于岩溶洼地内,开挖完成后的洼地边坡外形接近球冠型边坡,属于轴对称圆形凹坡,坡体由胶结的土石混合体和石灰岩组成,局部稳定性良好,整体稳定性有待评价。目前边坡整体稳定性评价通常采用基于平面应变假定的极限平衡法,由于未考虑边坡外形,该方法用于轴对称圆形凹坡稳定性的评价结果有偏差。为消除上述偏差,将轴对称圆形凹坡滑体划分为多个环形条块,考虑环形条块轴力的抗滑作用,提出了针对轴对称圆形凹坡的极限平衡法改进方法;并采用数值分析方法对改进后的简化Bishop法进行验证,结果表明改进后的简化Bishop法安全系数计算结果较未改进方法略有提高,与数值分析法结果基本一致。同时给出轴对称圆形凸坡的安全系数计算公式,计算结果表明圆形凸坡稳定性与直线形边坡较为接近。上述两种计算方法为类似外形的边坡稳定性评价提供了新的途径。

500m口径球面射电望远镜瞬时抛物面拟合精度的预估与改善

依据500m口径球面射电望远镜(FAST)主动反射面工作原理及相关结构尺寸,基于反射面单元动态面形精度分析研究了FAST瞬时抛物面的拟合精度。首先,以反射面单元为研究对象,自节点开始推导考虑了机构运动的反射面单元动态面形精度计算方法。然后,提取不同区域19块反射面单元的各自9种初始面形工况,给出了分析算例。最后,基于单元动态精度特性,提出瞬时抛物面机械本体拟合精度及考虑馈源照明函数的半光程差拟合精度预估方法,并给出2种改善措施,即扩大可控区至300m抛物面外一层节点靶标,及抛物面周圈节点靶标向球心、中心反向各自偏移4mm。结果表明:反射面单元初始面形应优选面形精度RMS为2mm的波浪式面板。改进控制策略后机械本体拟合精度提高至RMS为3.938mm,优于RMS为5mm的设计指标,此时半光程差拟合精度RMS为0.629mm。该项研究对确定反射面单元初始面形及调节瞬时抛物面拟合精度很有意义。

500m口径球面射电望远镜进舱缆线连接机构的设计及其静力学分析

由于500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meters aperture spherical radio telescope,FAST)的馈源舱与地面之间是柔性连接,其包含动力电缆和信号光缆在内的缆线进舱连接机构的设计较为困难。针对FAST馈源舱是由悬索支撑的特殊结构形式,对3种可能的缆线进舱连接机构的设计方案进行分析比较,并从静力学角度分析悬架于支撑索上的缆线质量对于支撑索张力和舱倾斜角所造成的不利影响。为求解舱-索系统的静力学和工作空间优化问题,从3种设计方案中选择进舱连接通道的支撑索悬链线方程进行分析和求解,建立悬链线参数与舱体静力平衡方程的关系。计算结果表明,3种缆线进舱连接机构的设计方案的不利影响均较小,从力学角度均具备可行性条件。

太阳辐照500m口径球面射电望远镜的温度分布

为了掌握500m口径球面射电望远镜(FAST)在太阳辐照下的温度分布,弱化它的"太阳灶"问题,保护馈源舱内相关仪器,对太阳辐照FAST温度场进行了研究,包括太阳相关参数研究、"太阳灶"问题解析及热流计算、台址地貌对FAST的阳光遮挡及不同工况下的FAST温度分布等。结果表明,FAST馈源舱温度分布不仅与反射面反射率、孔隙率和辐照时间有关,而且与馈源舱防护罩的反射率、材料、焦舱位置、微波入口直径等因素有关。当反射面反射率为0.2、孔隙率为0.4时,馈源舱最高温度为47.56℃,时间约在12∶00;反射面最高温度为68.34℃时,时间是在14∶00,此时与反射面最低温度为35.03℃时的温差为33.31℃。文章还计算了形成太阳灶的时间域,最后为FAST的相关设计及使用提出了意见和建议。

五百米口径球面射电望远镜的相控阵馈源设计

相控阵天线作为射电望远镜的馈源时可以扩大射电望远镜的视场,提高天空扫描速度和系统灵敏度.分析了相控阵馈源的阵列排布形式、阵列规模、阵元间距等参数对灵敏度的影响,并给出了设计一般相控阵馈源的基本方法.针对五百米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope,FAST)的系统要求设计了一种工作在L波段的宽带双极化微带偶极子相控阵馈源.相控阵系统采用制冷放大器时所设计的馈源满足FAST系统性能指标.加工并测试了单个阵元的结果,与采用HFSS软件仿真的结果相当吻合,验证了所设计馈源的可行性.

500m口径球面射电望远镜柔性馈源支撑系统仿真

为给500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)提供设计优化方案,对其柔性馈源支撑系统进行1:1原型虚拟样机的全程仿真.设计整个仿真模型的控制框架和控制算法;分析系统的运动学、动力学和在干扰载荷下的控制精度.整个仿真工作主要分为对舱-索悬挂系统的动力学分析和系统其他机构、单元的控制仿真分析,前者通过有限元法实现,后者通过多体系统动力学方法和机电控制实现.通过对馈源定位的控制精度评估,可更好地为天文观测提供设计优化方案,降低硬件设计和实验的盲目性与成本,加快研究进程.

500米口径球面射电望远镜用液压促动器的研制

该文介绍了我国500米口径球面射电望远镜中的关键设备液压促动器的功能和研制历程,详细说明了优瑞纳斯(URANUS)液压促动器设计方案中的有关细节,以及产品达到的效果,该项目共申请了六项国家发明专利(均已受理并已获批3项),全部2250台液压促动器安装调试完毕,该射电望远镜已于2016年9月25日举行了启用仪式。

光纤光栅传感器在500m口径球面射电望远镜工程索网施工阶段的应用

500m口径球面射电望远镜(FAST)的主动反射面系统由圈梁、反射面单元、主索网及下拉索、促动器和地锚等组成,工程索网施工阶段会对支撑索网结构的圈梁及格构柱结构产生复杂多变的应力影响。为实现对圈梁及格构柱结构精准的应力监测,将光纤光栅传感器应用于圈梁及格构柱结构的索网施工过程监测中。介绍了传感器原理、测点布设、数据采集及数据分析方法。根据FAST索网施工过程监测的特点,基于3σ准则提出了一种新的异常数据处理方法,并利用该方法进行异常数据的分析与剔除。对实测数据进行分析,结果表明,在索网施工过程中圈梁测点的应力始终小于安全值201.5MPa,格构柱测点的应力也一直处于安全范围内,且随着索网施工的进行,其应力变化具有一定的规律性。该光纤光栅传感器监测方法在FAST索网施工阶段得到了良好的应用。

500m口径球面射电望远镜馈源二次精调平台构型参数综合设计

采用6-TPS Stewart平台作为500m口径球面射电望远镜馈源的二次精调平台,针对500m口径球面射电望远镜观测时对精调平台设计的特殊要求,基于极限姿态和次最优局部灵巧度,研究了兼顾工作空间、灵巧度以及避免构件间干涉三方面因素的构型参数综合设计方法,给出了一组满足项目要求的构型参数。

大射电望远镜反射面支承张拉结构非线性分析

根据大射电望远镜 (FAST)反射面系统的要求 ,引入一种新颖轻巧的反射面支承结构方案———张拉整体体系 .通过对多种方案张拉结构体系的承载性能、变形特性、对促动器系统影响的分析以及与传统刚性结构体系(网壳 )的比较 ,并经过反复优化计算 ,确定了张拉整体体系支承结构方案 .计算结构表明 ,用于反射面支承结构的张拉整体体系比网壳结构自重轻约 72 .5 % ,结构作用于促动器的反力减小约 78.5 % .

世界最大单口径射电望远镜进入建设实施阶段

世界最大单口径射电望远镜“FAsT”工程已在贵州省平塘县进入建设实施阶段。“FAST”是500m口径球面射电望远镜的英文缩写。2008年12月26日，“FAST”在贵州省平塘县一片名为“大窝凼”的喀斯特洼地奠基。工程项目概算6．67亿元人民币，建设周期5年半，预计在2014年开光观测。“FAST”项目首席科学家兼总工程师、中科院国家天文台研究员南仁东说．“FAST”项目目前已进入建设实施阶段．台址工程评勘队伍已于本月15日进场，

FAST——500米口径球面射电望远镜

新千年的宇宙难题需要大口径的射电天文望远镜。世界最大的单口径射电望远镜FAST，具有多项自主创新，已由我国国家立项并开工建设，实现了射电天文前沿领域的跨越式发展。FAST的研究领域涵盖广泛的天文学内容，其潜在科学产出将极为丰富，并在国家重大需求方面也有重要应用价值。预计2014年FAST投入运行观测。

平方公里射电望远镜阵SKA

现代射电望远镜在科学研究和试验中发挥着重要作用,为了提高空间分辨率和灵敏度,科学家提出了平方公里射电望远镜阵SKA。SKA是未来的厘米与米级波长的望远镜阵,其灵敏度是现有同类设备的50倍,同时超大的观测视角和极宽的频率范围都是其他射电望远镜无法比拟的。SKA将会在宇宙引力波探测,生命起源的探索,脉冲星和黑洞试验,黑暗时期和暗能量研究等方面上产生深远影响。500m口径球面射电望远镜(FAST)是由我国正在实施的单口径的SKA方案,将会成为世界上最大单口径的射电望远镜,其在灵敏度和接收面积上有着不可比拟的优势。

当之无愧的世界最灵敏射电望远镜

坐落在贵州省黔南州平塘县克度镇的500m口径球面射电望远镜(FAST)已经落成启用近3年时间。截止到7月19日,这个世界上最大的射电望远镜已经发现了125颗优质脉冲星候选体,确认了86颗。这标志着还处在设备调试阶段(2019年将正式进行国家验收)的FAST已经部分实现了其科学目标,能真正的作为一个实用的望远镜而脚踏实地地开展天文观测工作了。

500m口径球面射电望远镜反射面主体支承结构设计

500m口径球面射电望远镜(FAST)是国家重大科技基础设施项目,由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端系统四大部分构成,其中主动反射面包括主体支承结构、促动器、背架结构和反射面板四部分.FAST反射面主体支承结构由格构柱、圈梁和索网组成,是迄今为止世界上最大的空间结构,具有主动变位和高精度的特点,且地处地形、地貌复杂的山区,设计、建造难度较大.本文从结构体系、索网性能、节点、参数敏感性等方面对主体支承结构设计的关键问题进行了介绍.

500 m口径球面射电望远镜索网结构形态和受力分析

500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)是国家重大科技基础设施项目。口径500 m、半径300.4 m的球冠形索网是FAST反射面的主体支承结构。通过促动器的主动控制,索网可以在标准球面和不同抛物面之间转换,即索网为可主动变位的结构。针对FAST索网结构设计中由主动变位引起的形态分析和轻量化需求等问题开展研究,提出了目标位形应变补偿法,统一了球面基准态和抛物面态的形态分析方法,解决了多目标位形索网结构的形态分析问题;提出预应力优化方法,将球面基准态最大索力降低了29%;研究了索网球面基准态和抛物面态的受力性能,并与实测结果进行对比,索力吻合较好,50%以上钢索索力相对误差在5%以内。

全球最大单口径（500米）射电望远镜（FAST）在贵州落成启用

国家重大科技基础设施“500米口径球面射电望远镜”（Five-hundred—meter Aperture Sphericalradio Telescope．简称FAST）正式竣工。有着超级“天眼”之称的FAST．开始接收来自宇宙深处的电磁波，这标志着我国在科学前沿实现了重大原创突破。FAST由我国天文学家于1994年提出构想，从预研到建成历时22年，由中科院国家天文台主导建设．是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。借助FAsT可以窥探星际之间互动的信息，观测暗物质，测定黑洞质量，

FAST照明口径分析

500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)在观测时,将球形反射面内部照明区域的形状变为300 m口径抛物面,实现望远镜的主焦天线功能。照明口径(球面变位到抛物面的口径)对望远镜的观测性能起决定作用。为了望远镜潜在的性能提升及后续发展,在500 m口径球面射电望远镜照明口径300 m及大于300 m的情况下,通过不同焦距抛物面与基准球面变位距离的计算,进行球面到不同口径抛物面变位分析,对望远镜增大照明口径的可行性进行探讨。给出了在500 m口径球面射电望远镜反射面变位驱动促动器最大运动行程范围内,增大口径抛物面变位时抛物面焦距及焦径比的选取。在驱动行程方面初步说明了变位的理论可行性,相关分析同样适用于其他口径的抛物面。

基于OSG的FAST三维运动仿真系统

500米口径球面射电望远镜(FAST)具有零部件繁多、技术密集等特点,在进行观测活动时需要各部门之间协调配合,为了能够有效地对FAST观测活动进行模拟和规划,提出一种基于OpenSceneGraph(OSG)和Qt的FAST三维运动仿真系统。利用Qt建立交互式界面,OSG建立FAST的虚拟场景,分析了抛物面、馈源舱以及钢索的运动过程,对其主要的运动部件进行了运动仿真。并且建立了馈源舱位置姿态的Redis数据库,利用数据库中的数据驱动馈源舱和钢索进行运动,将三维仿真运动系统与FAST工程对接,为日后FAST数字孪生系统的实现打下基础。实验表明,该系统可以对FAST系统观测活动进行运动模拟,对FAST运动规划和作业指导具有重要的意义。