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(hù)特殊裝備

1月11日，被譽(yù)為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)順利通過國家驗(yàn)收，投入正式運(yùn)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(yuǎn)鏡，其建設(shè)單位為中國科學(xué)院國家天文臺(tái)。

對(duì)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(dá)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(duì)望遠(yuǎn)鏡的這口“大鍋”進(jìn)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(yùn)行，由中國科學(xué)院國家天文臺(tái)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(hù)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(jìn)行相關(guān)檢查維護(hù)作業(yè)，且不會(huì)對(duì)“大鍋”造成損壞以及影響到FAST的正常觀測(cè)。

要求之高

不能傷了這口“鍋”

還不能影響觀測(cè)

“微重力蜘蛛人”設(shè)備最主要部分是一個(gè)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(gè)氣囊內(nèi)部的壓力。因?yàn)樵趯?shí)際情況中，隨著溫度或者高度的變化，氣囊內(nèi)壓力也會(huì)有所變化。比如溫度如果升高導(dǎo)致氣囊壓力超過安全閾值，那就要釋放一定的空氣進(jìn)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(jì)章輝表示，一般情況下，氣囊的壓力都會(huì)控制在安全范圍內(nèi)。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)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?yàn)?ldquo;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(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。”紀(jì)章輝解釋，作業(yè)時(shí)，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(yuǎn)鏡反射面上“飛檐走壁”。整個(gè)設(shè)備能夠滿足一名成人在“大鍋”上進(jìn)行正常作業(yè)的需求，其運(yùn)作的基本原理就是靠浮力減輕自重，從而達(dá)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(huì)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(dá)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(shí)，出現(xiàn)極端情況，導(dǎo)致氣球浮力下降，‘蜘蛛人’可拉動(dòng)水箱上的閥門放水，恢復(fù)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(zhēng)取時(shí)間。”

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

研制之精

花半年時(shí)間試驗(yàn)

計(jì)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(jìn)行作業(yè)的背后，是長達(dá)半年的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)以及計(jì)算。

紀(jì)章輝介紹，團(tuán)隊(duì)從2018年11月份就到達(dá)貴州考察“天眼”現(xiàn)場(chǎng)，并開始進(jìn)行前期可行性論證。“從2019年2月到8月，我們就作了詳細(xì)的設(shè)計(jì)、計(jì)算以及摸底試驗(yàn)，并開始生產(chǎn)制造。”去年10月，該設(shè)備正式被國家天文臺(tái)驗(yàn)收。

在論證研制階段，紀(jì)章輝及其團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了有限元分析，收集了“天眼”所在地一年的風(fēng)速數(shù)據(jù)，計(jì)算并模擬試驗(yàn)在六種工況下，設(shè)備的運(yùn)作情況，同時(shí)還要分析評(píng)估“大鍋”的反射面板和在“大鍋”內(nèi)矗立的多個(gè)測(cè)量基墩的承載能力。“因?yàn)槲覀冊(cè)趯⒑馇蛳碌?lsquo;鍋’里，于‘鍋’內(nèi)牽引移動(dòng)和完成任務(wù)回收時(shí)，都要利用“大鍋”邊緣的轉(zhuǎn)移平臺(tái)和測(cè)量基墩架設(shè)索道，所以必須保證繩索的張力不會(huì)對(duì)這些輔助設(shè)施造成破壞。”

更重要的是，團(tuán)隊(duì)通過精密計(jì)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?cè)趯?shí)際操作時(shí)，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(dāng)“微重力蜘蛛人”進(jìn)入“大鍋”開始作業(yè)時(shí)，通過基墩架設(shè)索道，整個(gè)設(shè)備將受到不同方向三條繩索的牽引，使蜘蛛人的活動(dòng)集中在一個(gè)三角形范圍內(nèi)。“這樣做更具穩(wěn)定性且更好準(zhǔn)確定位。”紀(jì)章輝解釋。

蜘蛛人除了穿戴好防護(hù)設(shè)施外，手臂、膝蓋、腳底等都會(huì)戴上減壓板，避免壓力過大對(duì)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(yàn)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(shí)還得考慮到風(fēng)速，如果現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)達(dá)到了3米/秒，最好作停留觀察。”

據(jù)悉，考慮到整個(gè)望遠(yuǎn)鏡及周邊區(qū)域?qū)﹄姴▽庫o環(huán)境的要求，未來整個(gè)作業(yè)團(tuán)隊(duì)還將規(guī)范相關(guān)指令信息的傳遞，多使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的手勢(shì)或旗語，避免因使用對(duì)講機(jī)而造成對(duì)望遠(yuǎn)鏡天文觀測(cè)的干擾。

“微重力蜘蛛人”設(shè)備

●由中國科學(xué)院國家天文臺(tái)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(jìn)行相關(guān)檢查維護(hù)作業(yè)，且不會(huì)對(duì)“大鍋”造成損壞以及影響正常觀測(cè)。(記者楊晨雷遠(yuǎn)東柴楓桔)

關(guān)鍵詞： 中國天眼 微重力蜘蛛人