根据FAST独特的工作和工程特点,将它分为了六大系统:台址勘察与开挖系统、主动反射面系统、馈源支承系统、测量与控制系统、馈源与接收机系统、观测基地建设。
(1)台址勘察与开挖系统:拟对选定区域的地形、工程地质和水文地质环境等进行工程详细勘察,对FAST主动反射面整体工程区域土石方进行开挖,以及对洼地排水通道进行设计等。
1994年,中国科学家提出修建500m单口径球面射电望远镜FAST这一想法,因为其口径超大,选址成了国家天文台首要待破解的难题。
1994年底,北京天文台(现国家天文台)牵头20所院校,提出了“喀斯特工程”。准备从中国西南无数个喀斯特地貌的凹坑中,选出一个来建大望远镜。经过认真比对遥感图,确定了约300个候选的圆坑,经过走访又筛选出80个最圆的。贵州省黔南州平塘县克度镇金科村的一个圆形洼地——大窝凼(图1-7、图1-8),成为最有力的竞争者。“凼”,音dàng,水坑的意思。
图1-7 工程建设前的大窝凼洼地
图1-8 平整场地后的大窝凼洼地
最终,FAST台址选定在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地,此洼地位于北纬25.647222°,东经106.85583°,直径大约800m,东北距平塘县城约85km,西南距罗甸县城约45km。总体位于贵州高原向广西丘陵过渡的斜坡地带,地势总体上北高南低,区域内碳酸盐岩广泛分布,岩溶峰丘、洼地、落水洞极为发育,地形起伏不平,低山地形。大窝凼洼地的山梁最高为东南侧山头,标高1 201m,洼地的最低点标高841m,最大相对高差达360m。洼地地表岩溶洼地发育,地形起伏大,坡度较陡,地貌类型简单,局部山体陡峭,形成陡崖和悬壁。这个“大窝凼”是一个圆形天然喀斯特洼地,这样做可以减少土石方开挖量,另外该地段有着优良的排水性、无重大自然灾害记录。水在石灰岩上削出几百米直径的“凼”。凼的底部都会有一个至少浴缸大小的水洼,这是积水向下渗透的地方。天文学家们考虑到,喀斯特地质下,积水可以从坑底渗漏出去,不至于淤积和危害天线。不过FAST的天坑里,还是开掘了一条通到“隔壁”坑里的排水道。
在中国有人烟的地区,大窝凼附近算是电波稀少的了。在FAST工程附近的另一个凼——钻过几百米的漆黑山洞,突现一座世外桃源。天坑底部种着蔬菜和庄稼,几栋木房子,狗吠鸡鸣之外,万籁无音,令人心旷神怡。这里不通电线,最近一个乡镇在5km外。射电望远镜正需要这么一处静土。附近的农民将为此搬迁。而科学家们希望减少周边人类活动,避免电波风险。最灵敏的天线相当于最娇弱的耳膜,轻声耳语对它无异于大喊。因此,未来在FAST现场工作的科学家控制使用电器。FAST的监听中心设在两道山以外。FAST获取的信号通过光纤传输到监听中心,再传送到外界,全程不能用无线装置。
(2)主动反射面系统:包括一个口径500m由近万根钢索组成的反射面索网、反射面单元、促动器装置、地锚、周圈钢结构等。反射面的索网安装在周圈环形钢桁架上,它有2 225个连接节点,在面索网上安装4 450个反射面单元,面索网节点下方连接下拉索和促动器装置,促动器再与地锚连接,形成了完整的主动反射面系统,能够实现实时控制下拉索形成瞬时300m口径抛物面的功能,见图1-9和图1-10所示。
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图1-9 FAST主动反射面索网支承结构示意图
图1-10 FAST主动反射面工作原理示意图
(3)馈源支承系统:在洼地周边山峰上建造6个百余米高的支承塔,安装千米尺度的钢索柔性支承体系(图1-11)及其导索、卷索机构,以实现馈源舱的一级空间位置调整;制造直径10m左右的馈源舱,在馈源舱内安装Stewart平台(精调并联机器人)用于二级调整;制造两级调整机构之间的转向机构,辅助调整馈源舱的姿态角。
(4)测量与控制系统:建设20余个毫米级精度基准站组成的测量基准网,利用10余台全站仪,对反射面位形实时扫描;利用激光跟踪仪及激光跟踪系统实现对馈源舱实时反馈的控制;建设现场总线系统,调控反射面的主动变形;建设实时检测和健康监测系统。
图1-11 馈源支承系统效果图
图1-12 馈源支承系统施工首次升舱
(5)馈源与接收机系统(图1-12):研制高性能的多波束馈源接收机,频率覆盖70 MHz~3GHz。研制馈源、低噪声制冷放大器、宽频带数字中频传输设备、高稳定度的时钟和高精度的频率标准设备等。配置多用于数字天文终端设备。
(6)观测基地建设:主要负责观测基地及辅助设施的建设(包括道路施工等),以确保高质量地支持望远镜的运行、观测和维护,并满足FAST工作人员的工作与生活需要。根据功能需要,观测基地的建筑计划包括综合楼、维修厂房和分散在基地及反射面周围的零星建筑等。
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