李曼　仇原鷹

2021年4月1日，被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）將正式對全球科學界開放。在2020年12月初，美國阿雷西博射電望遠鏡坍塌后，位于中國貴州省平塘縣的FAST成為了全球唯一的“大眼睛”。截至目前，F(xiàn)AST已經(jīng)累計發(fā)現(xiàn)了240余顆脈沖星，不斷為人類探索外太空提供線索。

將位于西安電子科技大學圖書館前的50米射電望遠鏡“饋源支撐與指向跟蹤系統(tǒng)模型”等比例放大10倍，就與FAST所應用的饋源驅(qū)動系統(tǒng)基本一致。FAST是由6座塔、6根索驅(qū)動的饋源運動系統(tǒng)，匯聚著中國天文學家探索宇宙的勇氣，集聚著中國工程師挑戰(zhàn)極限的信念，更凝聚著中國眾多領域科學家的聰明才智。在這其中就包括中國工程院院士、機電工程學院教授段寶巖帶領團隊貢獻出的“西電智慧”。

一、FAST三大自主創(chuàng)新之一，

將饋源系統(tǒng)由萬噸級降至30噸

1993年，第23屆國際無線電科學聯(lián)盟大會在日本京都召開，包括中國在內(nèi)的10國天文學家聯(lián)合發(fā)起了建造接收面積達一平方公里的“新一代大射電望遠鏡計劃”倡議。

建造單口徑射電望遠鏡有兩種方案：一種是全可動的拋物面天線，比如美國的綠岸射電望遠鏡，口徑為100×110米，重達7700噸，幾乎接近工程的極限;另一種是主反射面不動而饋源動的球反射面射電望遠鏡，比如美國利用喀斯特地形建造的阿雷西博射電望遠鏡，口徑305米，支撐饋源的懸空背架重達1000噸，也幾乎是此類射電望遠鏡的最大規(guī)格。相比之下，后者更為可行，但若要繼續(xù)增大口徑，不僅已有的施工手段不可行，工程的造價成本更是可望而不及。

孜孜以求，鍥而不舍。為了達到一平方公里的指標，科學家們一直在探尋可能方案。終于，在1995年，中國天文學家在大窩凼找到了最佳地點，這里不但有世界上最佳的喀斯特地貌，天然形成的超大型碗狀500米口徑天坑，還擁有著天文觀測所需較為潔凈的電磁環(huán)境。因此，在中國建造新一代射電望遠鏡成為可能的首選方案。

同年，第三屆國際大射電望遠鏡工作組會議在貴州召開，此次會議就大射電望遠鏡建造的創(chuàng)新設計方案展開討論，段寶巖在會上所作的關于大射電望遠鏡饋源支撐的光機電一體化創(chuàng)新設計的報告，受到了國內(nèi)外專家的高度關注，這也是西安電子科技大學與FAST結(jié)緣的開始。

如果新一代大射電望遠鏡陣照搬阿雷西博的設計方案，將會出現(xiàn)三個難題：一是工程造價太高，遠遠超出國家社會對新一代大射電望遠鏡的接受程度;二是純機械跟蹤控制系統(tǒng)的精度低;三是工程難度大，當口徑達到500米時，懸空背架的重量理論上將近萬噸，工程實施難度極大。段寶巖團隊所設計的新方案舍棄了懸空背架，不僅可將饋源支撐結(jié)構系統(tǒng)的自重降至約30噸，工程實施和造價變得可行，還克服了阿雷西博方案中結(jié)構穩(wěn)定性方面的不足。

這一方案的核心就是將原阿雷西博方案中，用于支撐線饋源重達1000噸的鋼結(jié)構轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜嬎銠C伺服系統(tǒng)控制的從6個塔頂伸出的6根大跨度的柔索。同時，布置3臺激光測距儀實時獲取饋源的實際位姿，通過6索長度的自動調(diào)整，將饋源調(diào)回到電性能所允許的誤差范圍之內(nèi)。創(chuàng)新方案中以光機電一體化技術代替了傳統(tǒng)的純機械技術，以軟件代替硬件，結(jié)構形式大大簡化，極大程度地降低了工程造價，使大射電望遠鏡工程的實現(xiàn)成為可能。

會后，段寶巖擔任了中國大射電望遠鏡推進委員會工程預研究組組長，帶領西電團隊致力于關鍵技術的突破，饋源支撐與指向跟蹤系統(tǒng)就采用了六索驅(qū)動的設計方案。這一光機電一體化饋源索支撐方案，與利用貴州喀斯特地形建造射電望遠鏡、創(chuàng)新性的主動球反射面一同被譽為FAST工程的三大創(chuàng)新。

二、粗精兩級調(diào)整控制，

確保饋源定位精度達到4毫米

FAST選擇在貴州一處500米級的球形洼地中建造，洼地內(nèi)鋪設主動反射面。被饋源照明部分的球形反射面，可實時地調(diào)整為一個拋物面，從而可用傳統(tǒng)的拋物面望遠鏡的饋源照明技術來實現(xiàn)寬帶觀測。如果說球形洼地是這只“觀天巨眼”的“眼窩”，那么由懸索支撐的饋源艙與饋源就是“觀天巨眼”的“眼珠”。

FAST實際使用的饋源艙裝置與西電的50米模型略有不同，增加了A、B軸進行調(diào)控，利用柔索與Stewart平臺對饋源進行粗精兩次調(diào)節(jié)。創(chuàng)新設計方案中，將動態(tài)懸索應用于望遠鏡饋源的結(jié)構支撐，解決的主要是工程實施和造價問題，但如何突破關鍵技術，進而實現(xiàn)這個射電望遠鏡要求的總體性能，就成為了一個很大的挑戰(zhàn)。FAST反射面曲率半徑300米，開口角120度，口徑520米，天空覆蓋最大觀測天頂角60度，饋源工作時理論速度為每秒1厘米，工作頻率最高為8.8G赫茲。簡單來說，就是要確保6根懸索控制的饋源艙中的饋源，實現(xiàn)不超過4毫米的動態(tài)定位精度。

在新方案中，就克服了阿雷西博方案的弱點，但對工程控制卻提出了更高的要求。由懸索和饋源艙組成的艙索結(jié)構，具有非線性、大滯后、大慣性和弱剛度等特性，并且在工作中難免受到風荷等外界干擾，僅靠懸索的控制很難使饋源艙達到指標要求的毫米級動態(tài)定位精度。

鑒于此，段寶巖團隊提出了粗、精兩級調(diào)節(jié)來實現(xiàn)饋源高精度動態(tài)定位定姿的方案。首先通過6根懸索對饋源艙實現(xiàn)粗調(diào)節(jié)，再通過安裝在饋源艙內(nèi)的Stewart平臺實現(xiàn)精調(diào)節(jié)。Stewart平臺上又分布了多個饋源，所以在提高定位精度的同時，還可實現(xiàn)多波段觀測。

基本原理很簡單，但如何突破這一技術難題卻沒有現(xiàn)成的辦法。這類射電望遠鏡懸索式饋源艙支撐系統(tǒng)，理論上屬于并聯(lián)機構學范疇，當時國際上關于這一領域的研究處于探索階段，尚未形成系統(tǒng)的理論與方法。團隊在研究中首次提出了并聯(lián)宏——微機器人概念，從理論上建立了逆運動學模型，并通過實驗對方案及策略進行了初步驗證。6根懸索驅(qū)動的饋源艙實際上是一柔性并聯(lián)機構，而精調(diào)Stewart平臺是一剛性并聯(lián)機構。這一大一小、一柔一剛兩個并聯(lián)系統(tǒng)，構成了一個并聯(lián)宏——微機器人系統(tǒng)，共同完成對饋源定位的任務。宏機器人系統(tǒng)為6根懸索驅(qū)動的饋源艙，完成饋源的大范圍跟蹤，保證饋源艙的誤差在50厘米內(nèi);微機器人為6自由度Stewart平臺，實現(xiàn)饋源的精確定位，也就是4毫米。

對FAST饋源艙的粗、精兩級調(diào)節(jié)是一項關鍵技術，研究中需要解決粗精兩級調(diào)整的動力學耦合與復合控制，高精度動態(tài)激光檢測，大跨度、柔性、延遲索系結(jié)構系統(tǒng)的建模與求解，風致顫振、齒隙、摩擦等非線性因素對系統(tǒng)性能的影響，艙索結(jié)構對增益、副瓣電平等電性能的影響等一系列問題，最終段寶巖團隊還是成功完成了設計。

三、5米及50米縮尺模型研究，

驗證了500米創(chuàng)新設計方案的可行性

FAST是國家科教領導小組審議批準的國家九大科技基礎設施之一，從面積上看這是一個約30個足球場大的高靈敏度的巨型射電望遠鏡。然而，建造這樣一個大科學裝備，僅僅進行計算仿真是遠遠不夠的，所有理論、方法都需要通過模型進行驗證，并對實際裝置性能進行預測，徹底搞清關鍵問題，從而為工程建設奠定基礎。

FAST的設計是一個多學科交叉項目，涉及到機械、電子、力學、控制及動態(tài)監(jiān)測等多個領域。為了在進行500米實際工程之前，對工程實施中將用到的相關技術進行驗證，段寶巖教授帶領團隊先后于2000年、2002年和2008年，搭建出一個5米和兩個50米的縮尺驗證模型。

第一個模型是在國家自然科學基金支持下進行的，團隊在實驗室搭建了一個1：100比例的5米室內(nèi)模型，其目的主要是驗證基本理論和控制系統(tǒng)相關技術。這一模型的6根懸索立柱均勻分布在直徑5米的圓上。此外，為簡單起見，用了一個直徑40厘米重6千克的球冠模擬饋源艙。結(jié)果顯示，6根并聯(lián)懸索進行物體的空間動態(tài)定位這一設計思路是可行的，懸索可以協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)控制方案合理，饋源艙動態(tài)跟蹤誤差在1厘米量左右。

第二個模型在中國科學院知識創(chuàng)新工程重大項目支持下進行，位于西安市南郊的沙井村，是一個1：10比例的50米室外模型。在這一模型中，6個支撐塔的高度為15米，均勻分布在直徑50米的圓上，饋源艙為直徑2.5米的半球。一系列實驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)能較好地跟蹤所期望的理論軌跡，饋源艙中心的跟蹤誤差在40毫米以內(nèi)，動平臺中心位置的跟蹤誤差始終在10毫米以內(nèi)，精調(diào)Stewart平臺的誤差縮小功能明顯。然而，這距離饋源指向跟蹤系統(tǒng)4毫米的跟蹤精度要求仍有一段不小距離。

在第二個模型中，使用的Stewart平臺是北京理工大學已有的成品，平臺底座尺度比理論值大，客觀原因?qū)е履Ｐ臀茨芡耆凑?：10縮比尺寸建造。為此，團隊又按照1：10的比例，在西安電子科技大學南校區(qū)建造了第三個50米的等比實驗模型。在第三個模型中，塔、索、饋源艙、精調(diào)Stewart平臺全部自主設計，實驗結(jié)果表明，通過饋源支撐系統(tǒng)的粗、精二級調(diào)整，精調(diào)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)3毫米的定位精度和0.06角度的指向精度。

四、FAST是一個中國天文學家、

科學家以及工程承建單位集體智慧的產(chǎn)物。

西安電子科技大學這些不同比例的模型試驗，驗證了饋源艙懸索控制策略、饋源運動粗精控制算法、軌跡規(guī)劃策略和軌跡跟蹤控制等，說明創(chuàng)新設計方案在工程上是有效可行的，為FAST工程建設掃除了關鍵技術障礙，共同為500米口徑大射電望遠鏡的實際建造積累了有益的工程經(jīng)驗。

2001年，國家天文臺在中科院知識創(chuàng)新工程重大項目“大射電望遠鏡FAST預研究”總結(jié)報告中指出：西電多年來發(fā)展起來的光機電一體化饋源支撐方案為解決大型球反射面望遠鏡的指向跟蹤問題提供了可行思路;2006年國家天文臺FAST項目國際評審咨詢會議報告介紹了西電提出的用6座索塔和6根柔索控制饋源粗調(diào)位置及姿態(tài)的設計方案，為國際評審提供了有力的技術支撐;2017年，西安電子科技大學項目團隊獲得《500米口徑射電望遠鏡柔性并聯(lián)索驅(qū)動系統(tǒng)技術及裝備》中國好設計金獎，實至名歸。