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姜鹏:FAST望远镜有4450块反射面 作为调试组长略崩溃

时间:2018-01-09 13:11:47 点击:

  核心提示:来源:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks)  原标题:FAST望远镜有4450块反射面,作为调试组长我有点崩溃 | 姜鹏  被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜FAST,于201...

  来源:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks)

  原标题:FAST望远镜有4450块反射面,作为调试组长我有点崩溃 | 姜鹏

  被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜FAST,于2016年9月落成启用,历时22年,它是由中科院国家天文台主导建设的、具有国家自主知识产权的世界最大单口径射电望远镜。如今,它已经聆听到了来自遥远的脉冲星婴儿心跳般的声音,“FAST具有超高的灵敏度和大覆盖天区,它是宇宙最精确的灯塔,然而它的造价只相当于一公里的高铁”,中国科学院国家天文台研究员、FAST调试组组长姜鹏如是说。

姜鹏姜鹏

  中国科学院国家天文台研究员

  FAST调试组组长

  以下内容为姜鹏演讲实录:

  我昨天准备PPT的时候,才意识到我准备的是个演讲,不是一个简单的科普报告。在我过去的经历里很少做这么正经的事,但是我答应了,硬着头皮也要来。如果大家有观众对我的演讲感觉到有点不太适应,那我非常恭喜你,你是一个非常健康而又正常的人。好,在我开始这个不太正经的演讲之前,我先让大家听两段声音。

  这是我们在今年的10月10号新发现的两颗脉冲星。如果把它的脉冲信号转化音频信号的话,就是这样的效果,像一个婴儿心跳的声音。

  脉冲星是一个高密度的天体,一颗方糖大小体积的质量就上亿吨。它的发现将会有可能为我们揭示更多极端物理条件下的物理规律,也是宇宙最精确的灯塔。这也是中国自主研发的天文设备,第一次探测到新发现的脉冲星,而探测到这个脉冲星的就是我们的中国天眼

  它是一个500米口径的射电望远镜,直径是500米,反射面的面积相当于30个足球场的大小,它是世界上最大的单口径射电望远镜,我就是这个望远镜项目的调试工作负责人。

  你们一定会对我的专业比较好奇,其实我是个结构工程师。如果说起我跟天眼的缘分,那可能要回到2009年,那年我正好博士毕业。我正面临着人生一个迷茫的十字路口,我是应该继续博士的研究方向,还是寻找一个新的挑战,做自己感兴趣的事情。

  这个时候,我看到一个招聘简历的广告,就是上图。一看就非常特别,它是一个500米直径的索网,还能变形,它的抛物面可以在它的不同的部位形成,而且它要求控制精度达到毫米级。这在我当时的认知范围内觉得太不可思议了,我甚至觉得这个项目可能是一个忽悠人的项目。

  但是这个招聘启示又别有用心的,在它的最后附上一个发改委的批文,告诉我这是一个真实存在的大科学工程。好吧,我想我就要去看看这个项目到底是怎么实现的,所以我就来到了这里。

  结果我一进来发现所有的事情跟我想象的并不一样,我原本困惑的技术问题,其实很多都在研制阶段,就连当时的总工南仁东先生也并不确认这个望远镜一定能达到它的设计指标,或者能完全实现他的预期设想。

  我们就开始了逢山开路、遇水搭桥的过程,我们从无到开挖,到做了我们第一个环梁结构,再铺上索网,最后建成一个500米口径的射电望远镜。整整8年的时间我投入到这个项目里,我们这个团队从始到终坚持了22年,建造了一个世界上最大的单口径射电望远镜。

  那它究竟有多大呢?如果把它比喻成一口锅的话,如果它盛满了水,全世界每个人都可以分4瓶,够所有人喝一天的。你就可以想象它的难度有多大。

  仅它的反射面来讲,我可以把它比喻成天眼的视网膜。它是一个500米口径的钢梁,架在了50根巨大的钢柱子上,然后一个6670根钢索编织的索网挂在环梁上,上面铺着4450块反射面单元,下面有2225根下拉索,固定在地面上的触动器。通过这些触动器拽这些下拉索,就可以控制索网的形状,一会儿是球面,一会儿是抛面,进行天文信号的收集和观测。

  对这样一个难题来讲,我们第一个要做的就是完成它的结构设计,我们这个反射面单元一共是4450块,但是它的种类却有380多种。有好多人好奇地问我:“为什么不把所有的反射面单元都设计成一样的呢?加工制造起来不就很简单了吗?”

  其实很简单,现在人类所知道的最多的正面体,就是正二十面体,没有更多正面体的可能性。不像做正多边形,你想做多少边就做多少边,到体就不一样了。所以我们整个索网分型,是在正二十面体的基础上进行进一步的划分,再划分的时候所有单元就是不一样的了。这个已经是我们能划分成最均匀的一种网格划分形式,它也叫短程线分型形式。最后我们采用了这样的一个对称的索网模型。

  我们另外一个结构设计比较特殊的是它的连接方式。我们是500米直径的一个钢梁,温度1度的变化就会产生6毫米的变形,如果是50度的温度变化就会产生300毫米的变形。

  对于钢结构来讲,300毫米的变形会产生很大的附加应力。所以我们采用一个完全特殊的设计,在传统结构里一般都设置温度缝,这样可以解决热胀冷缩的问题。比如你们坐着高速的火车的时候,会听到咯噔咯噔在响,其实那就是温度缝。

  但是对我们FAST来讲,它是需要一个结构的整体性。如果你设置温度缝了,你会破坏它的整体性,所以我们采用了一个非常独特的设计,就是滑移支座。

  说白了,这5800多吨的钢梁,是放在50根柱子上的。在环梁和柱子之间设置了一个叫滑移支座,通过滑移支座,这个钢梁可以在50根柱子上自由地收缩或者是扩张。这样它热胀冷缩的话,就可以把它的变形全部释放掉,而中间的索网大概7000吨的载荷,对于这个钢梁来讲既是它的载荷,也是定位的一个约束。

  我要是用一句话来形容这个索网结构,那就是它是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的一个索网工程。一般一项工程有一项世界第一就已经很难了,但是这个索网却集了三项世界第一,你可以想象它的难度有多大。

  我们面对的第一个技术难题就是索疲劳问题。因为在FAST索网里,跟传统索结构不一样。传统索结构来讲就是承重嘛,你现在坐的椅子上就是支撑你的重量就可以了。

  但是对于FAST来讲,因为FAST是要变形的,一会儿是球面,一会儿是抛物面,它要对不同的天体进行观测,它一直在动。所以在这里它的钢索更像是弹簧,它对疲劳的性能要求极高。

  当时我们从市面上购买了十余根钢索结构进行疲劳实验,结果没有一例能满足我们使用要求的,当时对我们来说是非常沉重的打击。当时台址开挖工程已经开始了,设备基础工程也是迫在眉睫,但是由于索疲劳问题,这个反射面结构形式却迟迟定不下来。

  我们的总工叫南仁东,他就经常在办公室里隔三差五地找我去讨论技术问题。每次我见到他的时候,他头发都是立着的,天天都在焦虑、手足无措,不知道该怎么解决。因为这个已经是涉及到我们颠覆性的一个技术问题了。

  其实我们在当时还不知道这个索网到底需要什么样的疲劳性能的钢索,所以我做的第一件事就是要评估它的疲劳性能,我们未来30年的观测,到底需要什么样性能的疲劳性能钢索?

  那我首先要预估未来30年望远镜的运行轨迹,一个月就是一些连线,一年就变成一个黑团了,遍布都是了。有了这些轨迹,我们就可以进行大规模的力学仿真

  通过轨迹的计算,我就可以计算出6000多根的钢索,每一根钢索在未来30年,它的应力失常曲线,就是它的应力到底是怎么变化的,然后对它的应力幅再进一步分解,我就可以知道每根索在未来30年它所承受的应力幅,包括疲劳次数。我们就会得到这样一个疲劳损伤的分布图。

  大家可以看到,越中间疲劳损伤越多,越中间用的几率越大。根据这个计算结果,我们可能还不能简单利用它作为我们的研制目标,因为我们要考虑一些不确定因素,比如观测时长。

  我们设计寿命是30年,但是“ Arecibo ”(世界第二大单面口径射电望远镜)到现在已经用了50多年了,我们想这个望远镜到30年之后肯定还要用的,所以还要考虑观测年限的不确定性。

  同时它的科学目标可能会调整的,当时对你的科学观测模式有些变化,应力幅度也是不一样的,而且我们所有的仿真计算都是在理想状态下进行的。比如有些设备发生故障的时候,比如触动器不听话了,所以它产生的应力幅疲劳损伤跟想象的是不一样的。

  所以考虑这些不确定因素之后,我要考虑一定的安全储备,所以制订了这样的一个研制目,就是500兆帕,200万次,疲劳强度是传统规范的两倍还要多。

  所以我们的实验肯定是以失败开始的,我们有可能进行了有史以来最系统、最大规模的一次索疲劳试验,如果你们没有听这个演讲的话,很难想象这样的一个工作,是被一个叫天文台的单位来主持研制的。天文台不是看星星的吗?怎么会搞这个东西。

  我们几乎经历了所有可能发生的各种破坏的形式,从锚固的损伤破坏,单丝的磨损破坏,所有可能的我们都经历了。经历了近百次的失败,与多家企业进行合作,终于历时两年研制出了一个适用于FAST的成品钢索结构。从那儿以后,南老师的头发就开始平了。

  其实钢索的难题还不光如此,它是由6670根钢索编成的一个索网,我前面已经说过,它是短程线分型,球面分型不可能每个索都是一样长短的,所以我们非常多的规格索,几乎每根索都不一样。要么长度不一样,要么粗细不一样。

  对于这样一个索网工程,它要有毫米级的成型精度,所以有一根索加工错了或者安装错了,都会导致整个索网无法精确成形。这个工程的过程控制是非常艰难的。大家想象一下,那么多的索和规格,每个都不一样,装错一个都不行,节点盘换个方向可能都会导致这个项目失败了,这个压力是非常大的。

  所以我们第一要考虑温度变形的影响。这个索的加工精度要求到1毫米,温度的变化要考虑,所有的索都在恒温间制作,我们专门建了一个恒温间,进行成品索加工。配合间隙的影响要考虑,构件与构件之间并不是紧密联系,它有间隙的,比如每根索差1毫米,到索网边缘就差60多个毫米了,那就没法儿做这么高精度的索网了。

  所以我们每根索加工的时候都有影像记录,万一有错的,我得查,知道它错在哪儿了。所以即