9月25日，有著“超級天眼”之稱的全球最大500米口徑球面射電望遠鏡FAST在貴州平塘縣正式啟用。FAST作為中國自主創(chuàng)新的世界上最大的天文望遠鏡，從概念到選址再到建成耗時22年，為我國天文學躋身世界一流創(chuàng)造了條件。而這只“超級天眼”的創(chuàng)新設計方案為西安電子科技大學首提，“超級天眼”的眼珠定位技術也是源自西電的智慧。

1、創(chuàng)新設計方案西電首提 饋源系統(tǒng)由萬噸級降至30噸

1993年，在日本京都召開了第23屆國際無線電科聯(lián)大會，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。為達到這個硬指標，又要工程上可實施、造價上可接受，像美國阿雷西博射電望遠鏡那樣，利用喀斯特地貌建造單口徑射電望遠鏡就成為了必由之路。因此，建造新一代望遠鏡的第一步，便是在喀斯特地形上尋找一個口徑為500米的自然天坑。

1995年，中國天文學家終于在貴州南部找到了兩個這樣的位置，其中之一就是現(xiàn)在FAST項目所在地，貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村的大窩凼。這里不但有世界上最佳的喀斯特地貌，像超大型碗一樣的500米口徑天坑；這里還擁有天文觀測必需的較為潔凈的電磁環(huán)境。這一年，第三屆國際大射電望遠鏡工作組會議也因此選在貴州召開，在這次會議上，西安電子科技大學茅於寬教授關于圓柱表面相位陣、王家禮教授關于低造價反射面的報告，尤其是段寶巖教授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，受到了與會國內(nèi)外專家的高度關注。

這一方案的核心就是將原阿雷西博方案中，用于支撐線饋源的重達1000噸的鋼結構，用計算機伺服系統(tǒng)控制的從6個塔頂伸出的6根大跨度的柔索來取代。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)。“新方案不僅可將饋源支撐結構系統(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構穩(wěn)定性方面的不足。”段寶巖解釋說，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，遠遠超過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，500米口徑時懸空背架的重量理論上將近萬噸，工程實施難度極大。

新方案以光機電一體化技術代替了傳統(tǒng)的純機械技術，以軟件代替了硬件，結構形式大大簡化，降低了工程造價，使大射電望遠鏡陣工程的實現(xiàn)成為可能，當即引起了國內(nèi)外同行專家的廣泛關注與濃厚興趣，被同行稱為“變革式的創(chuàng)新設計”。隨后，段寶巖擔任了由國家天文臺南仁東研究員為主任的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。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起，被譽為FAST工程的三大創(chuàng)新。

2、定位技術源自西電 確保精度不超過4毫米

FAST坐落在一個球形洼坑中。如果說球形洼坑是這只“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”。段寶巖表示，F(xiàn)AST實際使用的饋源艙裝置雖然與西電50米模型略有不同，但核心原理卻是一致的，那就是利用Stewart平臺對饋源進行粗精兩次調(diào)節(jié)。可以說，F(xiàn)AST的“眼珠”定位技術正是源自西電。

“創(chuàng)新設計方案中，我們首次將動態(tài)懸索應用于望遠鏡饋源的結構支撐，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)。”段寶巖介紹說，新方案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。由于由懸索和饋源艙組成的艙索結構，具有非線性、大滯后、大慣性和弱剛度等特性，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，段寶巖團隊又提出了粗、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。段寶巖團隊在研究中首次提出了并聯(lián)宏——微機器人概念。宏機器人系統(tǒng)為6根懸索驅動的饋源艙，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。

據(jù)介紹，對FAST饋源艙的粗精兩級調(diào)節(jié)是項目的關鍵技術之一，研究中碰到的難題一個接著一個。比如，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，艙索結構對增益、副瓣電平等電性能的影響等等。再比如，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)推算，F(xiàn)AST所在地有記錄的最大風速為每秒17米，為了確保饋源艙在這樣的風速下仍然安全工作，就必須進行風速模擬計算，從而預測實際中風荷干擾下懸索對饋源艙的可控精度，為控制系統(tǒng)的精度分配提供依據(jù)。與此同時，為了解決饋源艙在風荷下的穩(wěn)定性，他們還在懸索上設計了阻尼裝置，能起到耗散能量，降低懸索振動幅度的作用。

3、5米及50米驗證模型研究 為FAST建設掃清技術障礙

在進行500米實際工程前，為了對工程實施中將用到的相關技術進行驗證，段寶巖帶領的團隊，先后于2000年、2002年和2008年，搭建了一個5米和兩個50米等三個縮比驗證模型。

第一個模型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個支撐桿，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。

第二個模型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。實驗中為了抑制振動，這一模型對6懸索并聯(lián)系統(tǒng)方案還做了微調(diào)，增加了2根向下拉的懸索。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，客觀原因導致模型未能完全按照1：10縮比尺寸建造。為此，后來他們又按照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)Stew art平臺全部自主設計，實驗結果表明，通過饋源支撐系統(tǒng)的粗、精二級調(diào)整，精調(diào)平臺能夠實現(xiàn)3毫米的定位精度和0.06角度的指向精度。

據(jù)介紹，在FAST饋源支撐系統(tǒng)的研究中，主要是西電和清華兩個團組在做。“我們建造的縮比模型，驗證了獨立控制策略，粗精調(diào)控制算法，軌跡規(guī)劃策略和軌跡跟蹤控制等，說明在工程上是有效可行的；以及后來清華的4塔方案20、50米模型、6塔方案40米模型，都對工程建設有一定的指導意義。”段寶巖說，F(xiàn)AST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。這些不同比例的模型，為FAST建設掃清了技術障礙，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。”（記者 王嘉）