脈沖星,一種具有極強磁場并高速自轉的中子星,可以不斷發出電磁脈沖信号,因此被科學家們稱為“宇宙中最精确的鐘”。
1967年,劍橋大學卡文迪許實驗室的研究人員無意中發現了脈沖星PSR1919 21,這是人類發現的第一顆脈沖星。在那之後,借助各種望遠鏡“眼睛”的幫助,人們觀測到了諸多特征各異的脈沖星。
現在,中國的研究人員們打造出了最強“天眼”,讓脈沖星觀測變得更加容易。啟用兩年來,“天眼”FAST (Five hundred meters Aperture Spherical Telescope,下稱FAST)已經發現了53顆脈沖星、60顆優質候選體。
作為世界上在建口徑最大的單天線射電望遠鏡,FAST主要用于巡視宇宙中的中性氫、發現新脈沖星、探測星際分子、尋找地外文明等。
這隻“天眼”位于貴州大窩凼窪地,口徑有500米,有近30個足球場大的接收面積,主反射面的面積達25萬平方米。
FAST主要通過抛物面,把采集到的信号反射到接收信号的饋源艙裡,再由相應的信号處理系統對此進行處理。與此前全球口徑最大的射電望遠鏡——美國的Arecibo相比,FAST的綜合性能提升了近十倍。
為了讓FAST看得更清楚,研究人員創新性地在反射面上使用了可以主動變位的索網結構,在饋源和饋源支撐系統上采用了并聯機器人、柔性并聯索驅動系統。
形似一口“大鍋”的FAST反射面由4450塊反射單元組成,它們絕大部分為三角形,每個單身單元背後都有一根與地面相連的下拉索。
随着被觀測天體的轉動,反射面的下拉索會收緊或放松,帶動反射面闆的角度變化,從而在500m口徑反射面的不同區域,形成直徑為300m的抛物面。抛物面可以将天體目标發出的電波聚焦到焦點上,從而更好地實現信息接收。
懸在反射面上空的饋源艙,是整個FAST接收和回傳信号的最核心部件。它也要随着天體和反射面焦點位置的變化,完成快速移動和準确定位。
為了讓饋源艙能在空中自由穩定地移動,天眼周邊設有六座巨大的“饋源支撐塔”,高度為128-168米不等。每座塔都有一根鋼索拉住饋源艙的一個角,把它懸吊在反射面上空。收放這六根鋼索,就能拉着饋源艙在“鍋裡”浮動,滿足收集信号的需要。
參與系統研發的大連華銳重工集團股份有限公司表示,柔性六索并聯系統可以牽引饋源艙在140-180米高空,207米口徑、160米半徑焦面空間内實現大跨度瞬時精确定位、定姿,空間位置定位精度小于48毫米,空間姿态定位精度小于1度。
該系統還突破了傳統射電望遠鏡中饋源與反射面相對固定的剛性支撐模式,将饋源平台的重量從近萬噸降到了30噸。
但是僅靠鋼索拉動并不能滿足饋源艙所需的定位精度。FAST饋源支撐系統負責人朱文白此前接受央視采訪時表示,換源時要求饋源艙達到每秒400毫米的移動速度,定位精度需達到10毫米。
對此,研究人員在饋源艙内搭配了并聯機器人進行二次精調。
并聯機器人,是指動平台和定平台通過至少兩個獨立的運動鍊相連接,具有兩個、或兩個以上自由度且以并聯方式驅動的一種閉環機構。具有精度高、速度快、動态響應好、承載能力強的優點。
FAST饋源艙使用的六自由度Stewart平台型并聯機器人,已經在航空、航天、海底作業、地下開采、制造裝配等行業有着廣泛的應用。
西安電子科技大學的研究人員稱,裝置在饋源艙底部的Stewart平台型微型剛性并聯機器人,可以對饋源艙因懸索滞後、非線性以及風荷作用産生的震動進行精調補償,從而使安裝在該平台上的饋源,能以誤差小于4毫米的高精度跟蹤射電天體。
目前,FAST的調試工作已接近尾聲,預計将于明年完成驗收,随後FAST開始全面執行脈沖星計時、搜尋地外生命等科學任務。
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