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。

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。

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。

500m口径射电望远镜索网与面板单元自适应连接机构设计分析

500m口径射电望远镜(Five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)采用柔性索网+刚性面板的设计方案,变位观测过程中索网呈柔性,而面板单元则呈刚性,这就需要在面板和索网节点之间设计自适应连接机构,以避免面板在单元变位过程中受附加应力的影响。因应FAST的技术需求,主要完成了以下工作:进行自适应连接机构的自由度设计及机械设计,建立包含连接机构的FAST反射面整体有限元模型,并通过与理论分析结果的对比,验证了有限元模型的准确性;应用建立的有限元模型,计算索网在变位过程中自适应连接机构的运动范围,为FAST工程提供了必要的设计参数。

50m口径射电望远镜反射面精度分析

以50m口径射电望远镜为例,对影响反射面精度的各种误差做了分析,表述了整体误差与分项误差之间的关系。对结构变形的数值计算方法和曲面拟合方法做了说明,给出了计算结果,为望远镜的结构设计提供了指导。

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.

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 % .

基于IMU的FAST巡检定位系统研究

日常巡检是500m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)运行和维护中的重要工作. FAST部件众多,巡检过程中存在工作量大、寻找部件费时费力的问题.实现巡检定位,可以引导维护人员快速到达故障点,对提高巡检效率,保障望远镜正常运行有重要意义.考虑到反射面对卫星信号存在遮挡,采用惯性导航的方式,基于双足脚绑IMU(Inertial Measurement Unit),设计了1套步行导航算法.算法沿用零速修正框架,融合双足信息,并结合磁场信息修正航向误差.在规则轨迹中测试了算法有效性,水平定位误差在行走距离的3%以内.在巡检现场的不规则轨迹中,结合沿途标志点,水平定位误差小于11 m,能够满足日常巡检定位的需要和支撑后续巡检定位系统的实用化.

FAST射电望远镜天文轨迹规划

针对我国500 m球面射电望远镜天线(FAST),提出了一体化天文轨迹规划;给出了详细的数学模型及推导分析。相对于当前采用的FAST轨迹规划,该方法使得馈源位置和反射面位置的控制误差可以相互补偿。指出当馈源系统和反射面系统具有相同的测控延迟误差时,并不影响FAST天线的性能。

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.

FAST反射面单元在索网变位中的碰撞分析

500m口径球面射电望远镜采用柔性索网作为反射面支撑结构,反射面单元通过专用机构与索网连接,促动器连接下拉索控制索网,实现主动变位。在变位中,反射面单元要自适应于索网的各种变化,同时避免发生碰撞。为了给变位整体运行提供冗余保障,得出反射面单元碰撞分析基本机理及准则,基于索网与反射面单元的结构关系,将反射面单元的碰撞分析转化为对应主索单元的应力分析。通过设定条件下主索单元应力计算方法,对相关反射面单元碰撞问题进行分析。提出了正常变位情况下判别反射面单元碰撞的基本准则。通过计算变位后主索应力变化,提出分析判断正常变位反射面单元碰撞的方法,并提供了分析算例与结果。一定程度初步说明了正常变位条件下索网及反射面变位的合理性。

FAST反射面面板单元初始间隙

500 m口径射电望远镜(Five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)的反射面由4 450块面板单元组成,面板单元初始间隙的大小直接影响着望远镜的技术指标,初始间隙过大会降低FAST的有效接收面积,从而降低望远镜的灵敏度,初始间隙过小又可能会导致面板单元在某些观测工况下发生碰撞,因此合理确定反射面面板单元安装间缝隙对保证FAST的性能指标意义重大。采用矢量几何的方法给出了面板单元碰撞的判定准则,并根据反射面整体有限元模型的分析结果,结合判定准则,研究了FAST在工作工况下,以及在最不利的促动器故障情形下面板单元的碰撞干涉情况,还给出了面板初始间隙的合理数值,为下一步面板单元的设计提供参数。

“FAST”主动反射面的调节

介绍2021年“高教社杯”全国大学生数学建模竞赛A题“‘FAST’主动反射面的形状调节”的建模思路,并简要评述参赛论文评阅的总体情况.

FAST反射面支承索网结构的初始状态求解

500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter aperture spherical telescope,FAST)是人类探索宇宙的重要工具,FAST反射面的支承索网结构是一种轻量便捷的新型驱动机构,但是柔索只能承受张力,且刚度很小,定位精度低,这使得动态特性建模和分析十分困难。利用变分原理建立FAST反射面的支承索网结构的数学模型,该模型引入了大量非线性方程组,针对求解该非线性方程组提出一种逐层替代法算法,采用该算法能够求解FAST数学模型,进而得到FAST反射面索网结构的初始状态及其索网中各个主索端点处的拉力和索网中各节点的位置。这种算法为FAST索网中各节点在拉索拉力作用下由初始状态调节到张紧状态给定了精确的参考位置;同时也为FAST索网由张紧状态到工作状态的数学模型的非线性方程组提供解的初值。为了验证该算法求解FAST的缩小模型,从计算结果来看采用该方法所求得解的精度远远高于设计要求。

FAST工程主动反射面健康监测系统温度信号多元回归估测

大型结构健康监测系统中,温度测点故障会带来安全隐患。基于500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)主动反射面健康监测系统,提取并分析了9个测点数据间的线性相关性,将候选变量分组并选择最优回归子集,建立多元线性回归模型,融合正常测点数据对故障测点进行估测。针对变量间多重共线性问题进一步应用岭回归法,选定岭参数为6。使用F检验与拟合度检验模型的显著性和有效性,使用不同时日数据验证模型的估测精度。结果证明,多元线性回归模型比单变量具有更高的拟合度和精度,均方根误差为0.475℃;岭回归法稳定性更高,均方根误差为0.435℃。

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。

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。