保養(yǎng)這口“鍋”全靠懸吊“蜘蛛人”

揭秘“中國天眼”日常檢修維護特殊裝備

1月11日，被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)順利通過國家驗收，投入正式運行。

“中國天眼”位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣的喀斯特洼坑中，是世界最大單口徑射電望遠鏡，其建設(shè)單位為中國科學院國家天文臺。

對于參觀“中國天眼”的人們來說，最深的印象莫過于它那巨大的反射面，俗稱“大鍋”。這口“大鍋”呈球形，口徑達500米、鍋沿距離鍋底高差150米、傾角近60°，其表面是厚度僅1毫米且開孔50%的鋁合金面板。未來，如何對望遠鏡的這口“大鍋”進行日常的巡檢維修以及清理，且不能損壞承重有限的反射面板?

隨著“中國天眼”的正式運行，由中國科學院國家天文臺和航空工業(yè)特飛所合作研制的“微重力蜘蛛人”設(shè)備也將投入使用，解決“大鍋”的日常維護問題。其主要采用了蜘蛛人體重(浮力)配重平衡技術(shù)，利用氦氣球浮力抵消蜘蛛人自身的大部分體重，保證蜘蛛人可在“大鍋”表面行走和進行相關(guān)檢查維護作業(yè)，且不會對“大鍋”造成損壞以及影響到FAST的正常觀測。

要求之高

不能傷了這口“鍋”

還不能影響觀測

“微重力蜘蛛人”設(shè)備最主要部分是一個直徑超7米的氦氣球。圓球內(nèi)部，設(shè)有隔層，分別注入了氦氣和空氣。

“氦氣主要提供升力，而空氣的存在是為了調(diào)節(jié)整個氣囊內(nèi)部的壓力。因為在實際情況中，隨著溫度或者高度的變化，氣囊內(nèi)壓力也會有所變化。比如溫度如果升高導致氣囊壓力超過安全閾值，那就要釋放一定的空氣進行降壓。”航空工業(yè)特飛所工程技術(shù)中心技術(shù)部部長紀章輝表示，一般情況下，氣囊的壓力都會控制在安全范圍內(nèi)。

研發(fā)團隊之所以選用了氦氣這種輕質(zhì)氣體來產(chǎn)生設(shè)備所必需的凈浮力，是因為“氦氣不像氫氣，易燃易爆。其密度小，屬于惰性氣體，常溫常壓下不會產(chǎn)生化學反應(yīng)。”紀章輝解釋，作業(yè)時，配合著相應(yīng)的安全措施，氦氣球?qū)?ldquo;吊”起作業(yè)人員讓其能夠在望遠鏡反射面上“飛檐走壁”。整個設(shè)備能夠滿足一名成人在“大鍋”上進行正常作業(yè)的需求，其運作的基本原理就是靠浮力減輕自重，從而達到剛好適用于作業(yè)面上“行走”的平衡。

他表示，在正式作業(yè)前，還會稱量工作人員的體重和氣球的凈浮力，然后調(diào)整配重重量，以達到“大鍋”內(nèi)行走和作業(yè)的平衡要求，設(shè)備所配置的水箱也屬于配重的一部分。“如果作業(yè)時，出現(xiàn)極端情況，導致氣球浮力下降，‘蜘蛛人’可拉動水箱上的閥門放水，恢復之前設(shè)備的平衡狀態(tài)，為蜘蛛人迅速轉(zhuǎn)移至安全地方爭取時間。”

另外，“微重力蜘蛛人”可以不使用電子設(shè)備，維護檢修作業(yè)時無電磁干擾，不會影響到FAST的正常觀測，而且也可以實現(xiàn)多個“微重力蜘蛛人”對“大鍋”不同部位的同時作業(yè)，從而提高作業(yè)效率。紀章輝表示，項目組之前也嘗試過長臂索吊或無人機，但因不易定位和觀察遂放棄。

研制之精

花半年時間試驗

計算出設(shè)備配重公式

讓“微重力蜘蛛人”能在“大鍋”上“飛檐走壁”進行作業(yè)的背后，是長達半年的設(shè)計、試驗以及計算。

紀章輝介紹，團隊從2018年11月份就到達貴州考察“天眼”現(xiàn)場，并開始進行前期可行性論證。“從2019年2月到8月，我們就作了詳細的設(shè)計、計算以及摸底試驗，并開始生產(chǎn)制造。”去年10月，該設(shè)備正式被國家天文臺驗收。

在論證研制階段，紀章輝及其團隊進行了有限元分析，收集了“天眼”所在地一年的風速數(shù)據(jù)，計算并模擬試驗在六種工況下，設(shè)備的運作情況，同時還要分析評估“大鍋”的反射面板和在“大鍋”內(nèi)矗立的多個測量基墩的承載能力。“因為我們在將氦氣球下到‘鍋’里，于‘鍋’內(nèi)牽引移動和完成任務(wù)回收時，都要利用“大鍋”邊緣的轉(zhuǎn)移平臺和測量基墩架設(shè)索道，所以必須保證繩索的張力不會對這些輔助設(shè)施造成破壞。”

更重要的是，團隊通過精密計算找到蜘蛛人自重及配重和氦氣球浮力之間的平衡值，研究出適用于不同人(體重)和環(huán)境(溫度、海拔高度)通用公式。“這樣我們在實際操作時，就可以直接套用，在確定蜘蛛人后作一些配重的加減就行。”

當“微重力蜘蛛人”進入“大鍋”開始作業(yè)時，通過基墩架設(shè)索道，整個設(shè)備將受到不同方向三條繩索的牽引，使蜘蛛人的活動集中在一個三角形范圍內(nèi)。“這樣做更具穩(wěn)定性且更好準確定位。”紀章輝解釋。

蜘蛛人除了穿戴好防護設(shè)施外，手臂、膝蓋、腳底等都會戴上減壓板，避免壓力過大對碰觸到的反射面板造成損壞。特飛所工程技術(shù)中心試飛試驗部的蜘蛛人謝洪源告知了在“大鍋”內(nèi)“行走”的“秘訣”：雙腳撇開呈八字形，手指尖輕輕接觸反射面板以助力向前。“作業(yè)時還得考慮到風速，如果現(xiàn)場監(jiān)測達到了3米/秒，最好作停留觀察。”

據(jù)悉，考慮到整個望遠鏡及周邊區(qū)域?qū)﹄姴▽庫o環(huán)境的要求，未來整個作業(yè)團隊還將規(guī)范相關(guān)指令信息的傳遞，多使用標準統(tǒng)一的手勢或旗語，避免因使用對講機而造成對望遠鏡天文觀測的干擾。

“微重力蜘蛛人”設(shè)備

●由中國科學院國家天文臺和航空工業(yè)特飛所合作研制。

●采用蜘蛛人體重(浮力)配重平衡技術(shù)，利用氦氣球浮力抵消蜘蛛人自身的大部分體重，保證蜘蛛人可在“大鍋”表面行走和進行相關(guān)檢查維護作業(yè)，且不會對“大鍋”造成損壞以及影響正常觀測。(記者楊晨雷遠東柴楓桔)

關(guān)鍵詞： 中國天眼 微重力蜘蛛人