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「蜘蛛人」出任務 為貴州「中國天眼」刷鍋保養

懸吊蜘蛛人的氦氣球。(取材自華西都市報) 懸吊蜘蛛人的氦氣球。(取材自華西都市報)
「蜘蛛人」順利到達指定地點巡檢。(新華社) 「蜘蛛人」順利到達指定地點巡檢。(新華社)

位於貴州的「中國天眼」背負著許多人對於尋找「外星人」的期待。不過,外星生命還沒影兒,先迎來了「蜘蛛人」,擔起為這口「大鍋」刷鍋保養的任務。

★氦氣球 將人重量減至1/6

被譽為「中國天眼」的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)日前順利通過國家驗收,投入正式運行。

「中國天眼」位於貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣的喀斯特窪坑中,是世界最大單口徑射電望遠鏡,建設單位為中國科學院國家天文台。「中國天眼」歷經論證、立項以及五年半的艱苦建設,望遠鏡於2016年9月25日落成啟用,調試期間,數項關鍵指標超過預期,於2019年4月通過工藝驗收,並向境內天文學家試開放。

紐約時報曾指出,「中國天眼」的修建將中國科學的雄心投向宇宙深處,是中國進入世界科學大國行列計畫的化身,預期將為國家帶來激動人心的發現和諸如諾貝爾獎的榮譽,也許還能帶回來自外星人的信息。

對於參觀「中國天眼」的人們來說,最深的印象則莫過於它那巨大的反射面,俗稱「大鍋」。這口「大鍋」呈球形,口徑達500米,面板由表面厚度僅1公厘且開孔50%的鋁合金面板組成,鍋沿距離鍋底高差150米,傾角近60度。

隨著「中國天眼」的正式運行,未來,如何對這座有4450塊反射面板的這口「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,成了重要課題之一。為此,中國科學院國家天文台和航空工業特種飛行器研究所(以下簡稱特飛所)合作研製了「微重力蜘蛛人」設備,將投入使用。

中國航空工業集團表示,「微重力蜘蛛人」系統指的是以一個直徑7.6米的氦氣球,載著作業人員在望遠鏡反射面上行走,這項方案主要採用了蜘蛛人體重(浮力)配重平衡技術,利用氦氣球的浮力,抵消蜘蛛人自身的大部分體重,將人的重量降到原來的六分之一左右,這樣人就變成了微重力,達到望遠鏡反射面結構能夠承受的重量,保證蜘蛛人可在「大鍋」表面行走和進行相關檢查維護作業,且不會對「大鍋」造成損壞以及影響到FAST的正常觀測。

相較於傳統的轉運機車或者纜索吊簍,「微重力蜘蛛人」沒有電氣設備,可以日常使用。「蜘蛛人」可單個作業,也能多個系統同時對反射面進行檢修,大大提高工作效率。「微重力蜘蛛人」開創了全球基於浮空器原理的大型射電望遠鏡便捷式檢修方法,未來,將繼續從細節上不斷改進完善,為中國天眼的「健康」保駕護航。

★無電磁 不影響正常觀測

「微重力蜘蛛人」設備最主要部分就是氦氣球,圓球內部,設有隔層,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節整個氣囊內部的壓力。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。」航飛所工程技術中心技術部部長紀章輝表示,一般情況下,氣囊的壓力都會控制在安全範圍內。

研發團隊之所以選用了氦氣這種輕質氣體來產生設備所必需的淨浮力,是因為「氦氣不像氫氣,易燃易爆。其密度小,屬於惰性氣體,常溫常壓下不會產生化學反應。」

紀章輝解釋,作業時,配合著相應的安全措施,氦氣球將「吊」起作業人員,讓作業人員能夠在望遠鏡反射面上「飛簷走壁」。整個設備能夠滿足一名成人在「大鍋」上進行正常作業的需求,運作的基本原理就是靠浮力減輕自重,從而達到剛好適用於作業面上「行走」的平衡。

他表示,在正式作業前,會秤量工作人員的體重和氣球的淨浮力,然後調整配重重量,以達到「大鍋」內行走和作業的平衡要求,設備所配置的水箱也屬於配重的一部分。「如果作業時,出現極端情況,導致氣球浮力下降,『蜘蛛人』可拉動水箱上的閥門放水,恢復之前設備的平衡狀態,為蜘蛛人迅速轉移至安全地方爭取時間。」

另外,「微重力蜘蛛人」可以不使用電子設備,維護檢修作業時無電磁干擾,不會影響到FAST的正常觀測,也可以實現多個「微重力蜘蛛人」對「大鍋」不同部位的同時作業,從而提高作業效率。紀章輝表示,之前曾嘗試長臂索吊或無人機,都因不易定位和觀察而放棄。

★花半年 算出了配重公式

讓「微重力蜘蛛人」能在「大鍋」上「飛簷走壁」進行作業的背後,是長達半年的設計、試驗以及計算。

紀章輝介紹,團隊從2018年11月就到達貴州考察「天眼」現場,並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計、計算以及摸底試驗,並開始生產製造。」2019年10月,該設備正式被國家天文台驗收。

在論證研製階段,紀章輝及團隊進行了有限元分析,收集了「天眼」所在地一年的風速數據,計算並模擬試驗在六種工況下,設備的運作情況,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』裡,於『鍋』內牽引移動和完成任務回收時,都要利用『大鍋』邊緣的轉移平台和測量基墩架設索道,所以必須保證繩索的張力不會對這些輔助設施造成破壞。」紀章輝表示。

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,研究出適用於不同人(體重)和環境(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,在確定蜘蛛人後作一些配重的加減就行。」

當「微重力蜘蛛人」進入「大鍋」開始作業時,通過基墩架設索道,整個設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範圍內。紀章輝表示,這樣做更具穩定性且更好準確定位。

★八字步 手輕觸面板向前

蜘蛛人除了穿戴好防護設施外,手臂、膝蓋、腳底等都會戴上減壓板,避免壓力過大,造成碰觸到的反射面板損壞。特飛所工程技術中心試飛試驗部的蜘蛛人謝洪源告知了在「大鍋」內「行走」的「祕訣」:雙腳撇開呈八字形,手指尖輕輕接觸反射面板以助力向前。「作業時還得考慮到風速,如果現場監測達到了三米/秒,最好作停留觀察。」

據悉,考慮到整個望遠鏡及周邊區域對電波寧靜環境的要求,未來整個作業團隊還將規範相關指令信息的傳遞,多使用標準統一的手勢或旗語,避免因使用對講機,造成對望遠鏡天文觀測的干擾。

「蜘蛛人」在反射面板上巡檢。(取材自新華網) 「蜘蛛人」在反射面板上巡檢。(取材自新華網)
「微重力蜘蛛人」在中國天眼裡「飛簷走壁」。(取材自華西都市報) 「微重力蜘蛛人」在中國天眼裡「飛簷走壁」。(取材自華西都市報)
「中國天眼」FAST。(取材自華西都市報) 「中國天眼」FAST。(取材自華西都市報)
工作人員在望遠鏡反射面上「行走」時,利用氦氣球的浮力能夠將人的重量降到反射面結構可以承載的重量。(取材自華西都市報) 工作人員在望遠鏡反射面上「行走」時,利用氦氣球的浮力能夠將人的重量降到反射面結構可以承載的重量。(取材自華西都市報)



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