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。

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。

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。

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。

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 % .

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。

FAST宁静区生态系统服务时空分异特征及权衡/协同关系分析

基于InVEST与光能利用率模型(CASA)对2000-2020年间500m口径球面射电望远镜(FAST)宁静区植被净初级生产力(NPP),水源涵养,土壤保持,生境质量四项生态系统服务进行计算,分析其在不同尺度上的时空变化特征,识别其生态系统服务热点区域,采用权衡-协同指数和随机森林模型揭示四项生态系统服务间的权衡/协同作用关系和强度及其与驱动因子的关系.结果表明:(1)2000-2020年,FAST宁静区四项生态系统服务整体上呈增加趋势,其中NPP增加730.544gC/m^(2),水源涵养量增加5.925mm,生境质量得分上升0.007,土壤保持量增加0.295t/km^(2).(2)圈层差异明显,其中核心区增加最快,服务功能最优;其次是边远区,生态有明显好转;最后是中间区,生态修复相对较慢.(3)土地利用类型中,林地和草地对研究区生态系统服务量的促进作用最大.(4)生态系统服务热点整体上由Ⅰ类和Ⅱ类热点区向非热点区,Ⅲ类热点区及Ⅳ类热点区转变.(5)区内的四项生态系统服务间关系整体以协同为主,且协同作用逐渐增强,在空间上水源涵养与土壤保持和NPP在部分地区呈权衡作用.(6)FAST宁静区四项生态系统服务间权衡/协同关系作用强度的主要驱动因子是降水,蒸散发,石漠化敏感性,坡度和人类活动强度.

GMT联合高分辨率地形数据在FAST工程中的应用

近年来,国际的星载空载雷达项目已收集到海量的全球高分辨率地形数据。但是,这些数据在可视化之后才能被人们所直观认识。通用制图工具(GMT)是一款功能强大的开源软件集,主要用于地理空间数据的可视化表示,已在地球科学相关领域中得到广泛应用。文中阐述了地形数据在地球科学中的重要作用,介绍了在Windows系统下使用GMT对全球地形数据可视化的过程,并以FAST周边地区为例,对几种地形数据进行了质量评估,并简述了其在FAST工程中的应用。

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。

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。

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。

基于空间位形的FAST索网有限元模型修正方法研究

500m口径射电望远镜FAST采用柔性索网作为主要支承结构,在使用过程中频繁张拉索网主索,不可避免的造成主索的预应力损失,使主索的实际受力状态与有限元模型中的计算索力出现偏差,从而影响主索疲劳寿命的评估结果。考虑索网结构的内力分布与空间位形相关,本文根据现场监测数据提出一种基于空间位形的索网结构有限元模型修正方法,首先获取索力数据和节点的坐标数据,然后根据节点的平衡方程和约束条件建立非线性规划数学模型,最后利用序列二次规划算法(SQP)求解实现结构有限元模型的修正。数值模拟结果显示,索力误差在10%范围内的索数目占比由修正前的56.8%提升到87.7%,修正后有限元模型与实际受力状况更为接近,验证了该方法的可行性。本文所提出的方法不仅可以用于修正FAST索网结构的有限元模型,同时也可为其他类似的大型索网结构模型修正提供参考。

一种全天相机云图的自动处理方法

使用全天相机拍摄云图是现在天文界广泛使用的监测天空云量的方法。云量的估算结果对望远镜观测有重要的影响,目前对云量的估算完全由人工处理,费时、费力而且准确度不够高,判别过程也完全依赖个人的经验。为此,提出一种针对全天相机云图的云量自动计算方法。首先针对多云和少云云图分别使用时间分割法和差分法去除云图中月亮影响区域;然后对去除月亮影响区域后的多云云图进行二值化处理,将云与背景进行分割,并使用基于灰度值的聚类算法对少云云图的云的厚薄进行量化分类;最后计算总云量,并依据30 m口径望远镜(Thirty Meters Telescope,TMT)判读全天相机云图的方法对云图进行自动分类。实验结果表明,该方法可提高云图判读效率,在有效解放人工的同时,也达到了平均值为76. 67%的识别准确率。

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。

柔索牵引并联机构的静刚度分析

对柔索牵引并联机构的静刚度进行分析,推导静刚度的一般理论计算公式。结果表明,柔索牵引并联机构的静刚度矩阵可分解为两项:k1是动平台位姿变化产生的静刚度,与索张力相关;k2是索的位形变化产生的静刚度。柔索牵引的完全约束定位机构(Completely restrained positioning mechanism,CRPM)或过约束定位机构(Redundantly restrained positioning mechanism,RRPM),其静刚度主要取决于k2,仅与索的弹性性能和索力作用的雅可比矩阵相关,而与索张力的大小无关。对于柔索牵引的欠约束定位机构(Incompletely restrained positioning mechanism,IRPM),由于柔索悬链线的影响,其静刚度不仅与索的弹性性能和雅可比矩阵相关,而且与索张力的大小有关。通过一平面3自由度RRPM的算例和代表IRPM的500m口径球面射电望远镜馈源悬索支撑系统的静刚度比较分析,证明了关于静刚度理论计算模型的有效性。