FAST射电望远镜

发布时间:03/02/2021 10:51:19
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举世瞩目的500m 口径球面射电望远镜(fivehundred-meter aperture spherical radio telescope,简称FAST),被誉为“中国天眼”,已于2016 年9月25日在贵州省平塘县建成启用。


1994年,中国天文学家提出在贵州喀斯特洼地中建造500m 口径球面射电望远镜FAST 的建议和工程方案。FAST 项目于2007 年7月得到国家发展和改革委员会批复立项,总投资6.67 亿元。2009 年7月开始台址开挖设计,2011年3月开始正式施工,2016年9月25日,FAST 正式投入使用。


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图1  FAST航拍图


FAST 项目建成球半径300m,口径500m,矢高135m,接收面积相当于30 个标准足球场大,是世界上最大单口径、最灵敏的单口径射电望远镜。FAST 望远镜反射面系统包括以下几个组成部分:①由50 根格构柱支撑的内径为500m 的圈梁,是FAST 索网的支承结构;②6670 根主索构成的索网,是FAST 反射面的支撑结构;③4355 块边长为11m 反射面板及背架;④2225 个索节点、下拉索、促动器及地锚,用于通过下拉索驱动索节点以实现反射面主动变形。同时,还有6 座百余米高的馈源支撑塔,均匀分布在直径600m 的圆周上。


贵州省平塘县大窝凼是一由四周山体围成的大型U 型岩溶(Karst)洼坑,工程地质和水文地质条件极为复杂,开挖制约因素多并相互交叉影响,技术难度大。如何对此大型岩溶洼坑进行修整治理,精准、可靠且相对经济地建造大型天文射电望远镜的支撑体系,确保场地的稳定、安全,是岩土工程师面临的一高难度工程课题。很多实验室研究人员参与了本项目的科研工作。宋二祥课题组为此开展了相关研究,在球冠形场地开挖中心的多目标优化,以及在此基础上FAST 馈源塔基础等的精确定位,块碎石土压力、凹坡及凸坡稳定分析以及在此基础上的岩堆、超高边坡加固技术,岩溶洼地的排水设计建造等方面取得创新性成果,成功实施了该项目的场地建设及治理工作,为该重大科研设施的安全运行提供了可靠支撑。


开挖系统具有独特性和开创性,取得如下创新性成果:


(1)建立了大型岩溶洼地开挖中心多目标多属性优化决策的分析确定方法,求解出性能最佳、造价最低、地质危害最小的开挖中心空间坐标。


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(a) FAST台址圈梁与基础施工照片

(b) 索网节点、下拉索及地锚分布照片

图2  FAST选址示意图


(2) 针对含有较大粒径的岩堆,基于离散元计算结果,提出了岩堆主动土压力的计算方法,并提出适用于山区的岩堆整体补强加固结构。


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(a)     溶岩堆整体补强加固结构示意图

(b)     岩堆整体补强加固结构计算简图

图3  岩堆及超高边坡稳定分析及加固技术示意图


(3)针对大型岩溶洼地边坡外形特点,分析了边坡外形对其稳定性的影响,并分析了望远镜下拉索拉力对球冠形边坡稳定性的影响。


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图4  FAST台址球冠形边坡数值模型


(4)针对两处裂隙发育强烈的超高岩质边坡的静动力稳定性进行了离散元模拟,根据所揭示出的破坏模式提出相应的加固措施。


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图5  超高边坡加固前破坏特征UDEC数值模型图


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图6  超高边坡加固后破坏特征UDEC数值模型图


(5)根据FAST 洼地的地貌特征,采用人工泄水隧道与天然岩溶管道流相结合的排泄系统,建立起大型岩溶洼地综合防、排水系统,有效的降低地表水、地下水对FAST 工程的影响。


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(a) FAST开挖系统防排水系统航拍图

(b) FAST台址排水系统平面布置图

图7  FAST台址排水系统


项目研究成果在FAST 工程中得到了全面的成功应用,为射电望远镜国家科研重大基础设施建设的顺利实施提供了重要支撑。

 

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