FAST一次支撑系统的结构研究

　　1　前言

　　随着天文学的发展,建造新一代大射电望远镜已经成为越来越迫切的需要.在1993年国际无线电科学联合会(URSI)日本京都大会上,中国、美国、加拿大等国家的天文学家联合发起“1 km2大望远镜计划(LT)”倡议,并成立了工作组(LTWG),接受了面积为1 km2巨型射电望远镜的科学工程概念,研究其技术可行性及总体造价.目前,世界上许多国家都在积极开展这方面的研究,研究的方案充分采用了现代电子技术、计算机技术、激光检测技术、信息技术等方面的最新成果,提出了许多富有创新性的方案,如美国的1-Hectare方案、荷兰的SKAI方案、加拿大的LAR方案等.中国的天文学家根据中国贵州省南部独特的喀斯特地形地貌提出了一种新颖的设计思路,该方案的技术难度小、可实施性强,得到了国内外同行的高度认可.目前已经对准备建造的500 m口径大射电望远镜展开了广泛的工程预研究,该方案简称为FAST(five hundred meter aperture spherical ra-dio telescope). FAST计划实现后,我国将拥有世界上口径最大的射电望远镜,而跻于世界射电天文强国之列.

　　2　FAST概述

　　FAST如图1所示.利用贵州省喀斯特地区大于500 m直径的洼坑作为望远镜台址;建造直径500 m左右的球冠状主动反射面,反射面分成多个小球面单元,反射面下的促动器在计算机的控制下,在观测方向形成300 m口径瞬时抛物面,从而将线馈源变为简单的点馈源,点馈源系统安装于悬索支撑的一次馈源支撑系统上,这样就解决了球反射面天线线馈源的带宽太窄和球差问题;采用光机电一体化的索支撑轻型指向跟踪系统,目前有清华大学的索道及移动小车支撑方案和西安电子科技大学索支撑与拖动方案两种.索支撑轻型指向跟踪系统通过调整悬索的长度来控制馈源舱在空间的位置和姿态,使馈源到达预定的精确位置.在运动过程中,由测量系统来实时检测馈源的位置,并反馈给中央计算机以实现闭环控制.馈源的最终精度通过2级调整来实现.首先,通过调整悬索的长度将馈源舱粗调到厘米级,这为第1级粗调,称为一次支撑系统.而后,通过馈源舱上的Stew-art平台进行2次精调,Stewart平台将馈源调整到毫米级,从而达到系统要求的精度.

　　3　一次支撑系统的结构设计

　　一次馈源支撑系统的功能是:支撑二次馈源悬挂系统及其上部的信号收集系统、辅助材料系统、控制装置、维修人员等,同时实现较精确的位置定位,在风载荷的作用下,馈源舱的位置偏移不能超过50 cm.

　　清华大学一次馈源支撑系统具体思路如图2所示. 2对正交的索道,由4根水泥塔支撑,承载馈源舱的小车靠自驱动或外部索驱动在索道上爬行,与高山索道缆车有相似之处.在观测过程中,通过小车沿索道的两自由度的运动,以及2个正交索道的长度的变化,来控制馈源舱在空间的位置.在小车上附加4根恒力下拉索以加强系统的刚性.在运动过程中,由测量系统来实时检测在空中运动的馈源位置,并反馈给中央计算机以实现闭环控制.