FAST 射电天文望远镜工程探究

 

 

 

 

 

 

 

 

姓          名 罗振峰   高子涵   韩佳言   纵肇洋

指  导  教  师刘芷宁

日          期2021年10月

 

目录

徐州一中小课题研究开题申请....................................................................................... - 4 -

 

课题一：平面、球面和抛物面的光线聚焦效果差异探究......................................... - 8 -

 

课题二：探究不同材料对无线电波反射效果的差异............................................... - 22 -

 

课题三：馈源支撑塔的最佳数量探究........................................................................ - 28 -

 

汇报PPT........................................................................................................................... - 35 -

 

徐州一中小课题研究开题申请

 

 

 

徐州一中小课题研究

开题 申 请

 

 

 

 

 

 

课  题  名  称

课题主 持人罗振峰

课 题 组 成 员高子涵

韩佳言   纵肇洋

开题时间2021年9月　

 

 

 

 

 

 

 

一、课 题 组 成 员（不含主持人）
序号	姓 名	性别	年龄	班级	课题研究 任务分工
1	高子涵	女	17	高一7	课题一 课题三
2	韩佳言	女	17	高一11	课题一 课题三
3	纵肇洋	男	17	高一2	课题二 课题三
二、课题研究具体方案 （一）研究方案 1.研究背景 2.文献研究 3.方案设计 4.实验探究 5论文撰写及模型制作 （二）主要思路 1.课题一探究思路 因为可见光波与射电波都属于电磁波家族，具有相同的反射特性，所以本实验借助初中所学的光学原理，通过实验的方法研究不同反射面对光线的聚焦效果差异，可以增强反射效果的可观察性。 2.课题二探究思路 材料的反射效果越好，能透过材料的电磁波信号越弱，小车对电磁波的响应距离越短。通过测量响应距离并进行比较，可以定性的判断不同材料对电磁波的反射效果差异。 3.课题三探究思路 影响馈源舱移动效率的变量数量众多且复杂，本实验仅从馈源支撑塔的数量角度分析支撑塔的数量对效率的影响。衡量效率的变量也众多且复杂，本实验仅从馈源舱移动至目标点位所需时间及柔性拉索的张力来衡量馈源舱移动效率。 （三）研究计划 通过了解FAST工程的研究及建设背景，结合课题预定的研究内容，开展文献资料的搜集及阅读。 在文献阅读的基础上，通过通过小组合作讨论，制定探究方案。 分工合作，实施探究方案。 整理研究成果。 （四）成果呈现形式 1.撰写研究论文 2.制作射电望远镜模型 （五）主要参考文献 [1]何艳阳,高日冉,蒋炜波.凸面镜和凹面镜是抛物面镜还是球面镜[J].物理通报,2019(S2):111-112. [2]郭红锋.中国“天眼”——500米口径球面射电望远镜[J].军事文摘,2021(16):52-55 [3]齐健,吴晶晶,胡星.揭秘全球最大“锅盖”:4450个反射单元拼出全球最大最强“天眼”[J].中国产经,2016(07):78-81+98. [4]张效轩.关于电磁波在导体表面反射系数的讨论[J].陕西师范大学学报(自然科学版),1996(04):116-117. [5]李辉,李庆伟.FAST馈源支撑塔结构优化设计[J].工程力学,2017,34(S1):273-281. [6]秦庆芝 等 中华人民共和国国家知识产权局实用新型专利.FAST馈源支撑塔 申请号201621085004 .5

 

 

课题一：平面、球面和抛物面的光线聚焦效果差异探究

【摘要】探讨了平面、球面和抛物面的光线聚焦效果差异。通过不同反射面聚光效果实验，初步了解了不同反射面的光线聚焦效果差异；通过几何画板建模，深入分析了不同反射面的光线聚焦效果差异；通过文献资料收集，了解了射电望远镜的实际反射面实施方案。。

【关键词】平面镜；球面镜；抛物面镜；平行光；聚焦效果

一、研究背景

宇宙天体不仅会发出人类肉眼可见的可见光，还会发出人类看不见的不同频率的电磁波。而后者由于频段更宽，隐藏着更多关于宇宙天体的秘密。

通过光学望远镜，可以对宇宙天体进行可见光成像。通过射电望远镜，可以观测宇宙天体发出的射电波，既可以对发出能发出可见光的宇宙天体进行更深入的研究，还可以发现并研究诸如脉冲星、类星体等一类无法发出可见光的天体。

遥远的宇宙天体发出的射电波到达地球后能量密度十分小，需要借助反射面对射电波进行反射及会聚，从而增强信号强度。

因为可见光波与射电波都属于电磁波家族，具有相同的反射特性，所以本实验借助初中所学的光学原理，通过实验的方法研究不同反射面对光线的聚焦效果差异，可以增强反射效果的可观察性。

二、实验材料

瓦楞纸；平面、球面、抛物面纸模；可粘贴锡箔纸；激光笔（1只）

三、研究过程

1.反射面的制作

①剪反射面纸模                           图1

②剪瓦楞纸                                   图2  图3

③贴锡箔纸                                   图4

2.聚焦效果研究及结果记录

①研究反射面聚光效果               图5

②记录实验现象                           图6   

四、结果与分析

1.实验现象记录

2.实验现象分析

①平行光经平面镜反射后，不通过反射面的对称轴，不通过某一固定点。平面镜对光线无会聚作用。

②平行光经球面镜反射后，不通过反射面的对称轴，反射光线明显会聚，但不通过某一固定点。

③平行光经抛物面静反射后，不通过反射面的对称轴，反射光线明显会聚，且通过某一固定点。

五、结论

1.实验结论

为确保宇宙天体的电磁波经反射后会聚于一个固定点，会聚效果最佳，应将反射面设计成为旋转的抛物面。

2.实验结果反思

受实验器材限制，无法准确研究球面镜和抛物面镜对光线会聚效果的差异及成因。

可以通过增加激光笔，增加入射光线条数，进一步研究球面镜和抛物面镜会聚规律。也可以通过几何画板建模的方式进行进一步研究。最终借助几何光学的原理进行分析。

六、拓展研究

1.几何画板建模研究

①建模运用到的几何画板基本操作

  构造：点、线段、直线、射线、垂线、切线、平行线等

  函数：圆函数、抛物线函数、导函数

  变换：反射

  隐藏：模型构建完毕后，运用隐藏功能将辅助的点、线进行隐藏，凸显光路

②光源

根据集合光学原理，遥远宇宙天体发出的射线可认为是平行光线；

为寻找普遍规律，且尽量简化模型，共设置了6条入射光线，

图中蓝色为入射光线，红色为反射光线。

③建模分析

比较图1-3可以看出，平行于主光轴的光线经球面镜反射后发生会聚，但会聚点并不唯一，且在一条直线上。距主光轴越远，会聚点离散程度越大，不利于信号的收集。

比较图5-7可以看出，平行于主光轴的光线经抛物面镜反射后会聚点唯一。有利于信号的收集。

比较图4-7可以看出，球面底端小范围和抛物面的会聚效果十分接近，都有唯一的会聚点。

 

 

 

图1：球面镜反射1

 

 

 

 

 

图2：球面镜反射2

 

 

 

图3：球面镜反射3

 

 

 

 

图4：球面镜反射4

 

 

 

图5：抛物面镜反射1

 

 

 

 

图6：抛物面反射2

 

 

 

 

图7：抛物面反射3

2.文献资料研究

  通过查阅文献资料，了解已建成的神电望远镜反射面实际形状及优缺点。

①球面镜与抛物面镜的优缺点

通过分析我们知道抛物面镜和球面镜是不一样的，因此有人将抛物面镜的焦点叫真焦点，球面镜的焦点叫伪焦点．严格意义上的凹面镜的反射面是抛物面，对光线起会聚．

但是现实中制造一个抛物面远比制造一个球面要困难，因此实际中经常使用球面代替抛物面来制造凹面镜．

事实上不管是抛物面凹面镜还是球面凹面镜，只要镜面不是很大，其尺寸远小于焦距时，光线都可以近似的会聚在一点．物理教材中所说的凸面镜和凹面镜的表面是球面的一部分也是基于其尺寸较小的前提．

如果镜面的尺寸很大，而且对成像的精度要求非常高，那么就不能够再用球面镜近似替代抛物面镜了，天文望远镜就是如此．天文望远镜中的面镜使用的是非常精准的抛物面镜，这样能够减小成像误差，达到理想的成像效果．

②不同反射面的馈源方式

a线型馈源

因球面镜对平行光的会聚点较多，且在一条直线上，故球面射电望远镜的馈源应为线型。如图7所示。可以看到线馈上开了很多孔，是留给收集来的电磁波通过用的。开这些孔的位置需要很精确。

图8：正在安装中的射电望远镜的线馈天线

b悬挂式馈源舱天线

  因抛物面对电磁波的汇聚点是唯一的，所以采用可调节悬挂式馈源舱，通过调节馈源舱的位置，可以精准捕捉到电磁波的会聚点。如图9所示

图9：悬挂式馈源舱天线

 

③FAST的反射面

FAST500米口径球面镜是无法加工成一块整镜面的。FAST的主反射面设计为由4450个小镜面单元（简称单元块）拼接组成，每一个单元块都是500米球面镜形状的一小部分，拼接后就组成了500米口径的大型球面望远镜的主反射面。

在每个单元块构件的连接处，都装有计算机控制的促动器，可施加不同的力调节各个小单元块在整体布局上的几何构形，达到整体面型一致的精度要求。

正是有了这些可控制的单元块调节机构，使得FA ST50 0米口径的球冠反射面不像阿雷西博那样躺着不动，而是在其300米范围内可控地变换成40°天顶距范围内全方向可转动的抛物面镜。

六、创新点

本课题的创新之处在于：在实验的基础上，利用几何画板进行建模，更为精确地模拟并分析不同曲面对光线的会聚效果。结合文献资料，深入了解射电望远镜反射面的工程实施。

七、参考文献

[1]何艳阳,高日冉,蒋炜波.凸面镜和凹面镜是抛物面镜还是球面镜[J].物理通报,2019(S2):111-112.

[2]郭红锋.中国“天眼”——500米口径球面射电望远镜[J].军事文摘,2021(16):52-55.

附录

实验过程图片。

图1：剪反射面纸模              图2：剪瓦楞纸

   图3：剪瓦楞纸                图4贴锡箔纸

 图5：研究反射面聚光效果           图6：记录实验现象

 

课题二：探究不同材料对无线电波反射效果的差异

【摘要】探讨了不同材料对无线电波反射效果的差异。通过不同材料的反射面反射效果实验，初步了解了不同材料反射面对电磁波反射效果差异。通过文献资料收集，了解了射电望远镜工程的反射面材料的实施方案。。

【关键词】材料；无线电波；反射效果

一、研究背景

电磁波到达物体表面会被物体吸收一部分，反射一部分，透过一部分。射电望远镜利用材料对电磁波的反射，对电磁波进行会聚，从而增强了信号的强度。不同材料对电磁波反射效果不同。为增强信号强度，应选用反射效果佳、易加工易施工、成本低的反射材料。

二、实验材料

无线遥控玩具车；橡胶手套；铝箔纸；无纺布袋；塑料袋；铁丝网；螺丝刀

三、研究过程

1.实验原理

①遥控器发出的信号为红外线，属于电磁波；

②受实验器材限制，无法对遥控器发射出的信号强度以及透过屏蔽材料的信号强度进行测量。受苏科版物理八上第一章综合实践活动“探究不同材料的吸声性能”，利用“转换法”研究不同材料对电磁波的反射效果差异。

材料的反射效果越好，能透过材料的电磁波信号越弱，小车对电磁波的响应距离越短。通过测量响应距离并进行比较，可以定性的判断不同材料对电磁波的反射效果差异。

2.遥控器预处理

由于遥控器上天线的存在，是的发射信号很强，小车反映过于灵敏，难以测量使用不同材料阻隔时，小车对电磁波的响应距离差异。可以将天线拆除，减弱发射信号；也可以尝试使用电量残余较少的旧电池安装在遥控器上。

 

3. 实验场地布置

为便与测量，在地面张贴一条长约10cm的铝箔胶带作为小车的起点和卷尺测量的起点。预置一个拉直的皮卷尺。皮卷尺的零刻度线与小车的车尾对齐。如图2-1所示。

4.测量小车的最远响应距离

将遥控器放置在距小车较远的距离，对准小车按下前进按钮，由远及近逐渐缩短遥控器和小车之间的距离，当小车恰好开始前进，记录下遥控器距铝箔胶带的距离。

为确保测量的准确性，一要保证每次遥控器距地面的高度大致相同；二要将遥控器始终对准小车；三要多次测量取平均值减少误差。

分别用准备好的不同材料包裹遥控器，确保每次包裹的厚度大致相同，重复上述步骤。

如图2-2所示。

5.记录测量结果

四、结果与分析

1.实验数据记录

表2-1不同材料对电磁波反射效果差异探究数据记录表

材料名称	小车的响应距离（cm）
	第1次	第2次	第3次
塑料	9.0	9.0	9.2
橡胶	8.9	8.7	8.0
无纺布	6.0	6.5	6.5
铝箔	-1.1	-1.0	-1.1
铁丝网	-1.1	-1.1	-1.1
无材料包裹	9.8	9.6	9.6

 

表格2-2不同材料对电磁波反射效果差异探究数据分析表

说明：出现负值一方面说明小车的电磁波接收器不在车尾，另一方面，拆除天线后，信号衰减度很大。

2.实验现象分析

①在不同材料包裹下，小车的响应距离不同，由远到近分别为：无材料＞塑料＞橡胶＞无纺布＞铁丝网＞铝箔、

②响应距离越近，代表材料对电磁波的反射能力越强。所有材料中，铝箔和铁丝网对电磁波的反射能力较强；塑料、橡胶、无纺布对电磁波的反射能力较弱。

③平行光经抛物面静反射后，不通过反射面的对称轴，反射光线明显会聚，且通过某一固定点。

五、结论

射电望远镜的反射面材质选用金属，更有利于馈源对电磁波信号的收集。

六、拓展研究

 通过查阅文献资料，了解电磁波的反射原理，不同材料对电磁波反射的差异，以及射电望远镜工程建设上反射面材料的选择。

1.电磁波反射的原理

电磁波的本质是电场和磁场的矢量叠加，二者方向相互垂直，并同时垂直于传播方向。当电磁波照射到金属上时，电场分量使得金属中的自由电子按照电场分量的限制进行直线运动，但由于磁场分量的存在，运动的电子同时受到磁场分量的限制而也要进行直线运动，最终电子进行圆周运动。进行圆周运动的电子会形成电流（也叫涡流），一方面这个涡流会导致金属发热，这就是金属吸收电磁波；另一方面，涡流会形成一个与源电磁波方向相反的电磁场，这就是金属反射电磁波。

2.不同材料对电磁波的反射差异

根据电磁波的反射原理可知，物质内自由电子越多，导电性越好，对电磁波的反射效果就越佳。因此金属材料对电磁波的反射效果远大于非金属材料。不同金属材料对电磁波的反射效果也不同。

表2-3各种金属屏蔽材料的性能表

金属屏蔽材料	银	铜	金	铝	锌	镉	镍	铁	不锈钢
相对于铜的电导率	1.05	10..	0.70	0.61	0.29	0.23	0.20	0.17	0.02
密度（×103kg/m3）	10.5	8.9	19.3	2.7	7.14	8.65	8.9	7.9	7.9
价格（元/千克）	4800	75	350000	24	27	100	480	4	40

3.工程反射材料的选择

根据表2-3所示，金属铝反射率较好，密度低，成本低，是最合适的反射面材料。

FAST的反射面板是用1.3毫米厚的铝合金板制作的，上面打满直径5mm的孔。它对波长较长的电磁波反射率很高，但对可见光的反射率就非常低了，所以即便汇聚太阳光，威力也没想象中的大和恐怖。

七、创新点

本课题的创新之处在于：从工程思维的角度，在满足对电磁波反射效果的前提下，充分考虑材料的多种性能，综合成本等因素，选择最合适的反射面材料。

七、参考文献

[1]齐健,吴晶晶,胡星.揭秘全球最大“锅盖”:4450个反射单元拼出全球最大最强“天眼”[J].中国产经,2016(07):78-81+98.

[2]张效轩.关于电磁波在导体表面反射系数的讨论[J].陕西师范大学学报(自然科学版),1996(04):116-117.

 

附录

实验过程图片。

图2-1：场地布置      图2-2：测量不同包裹材料下的响应距离

  图2-3：记录测量结果              

 

课题三：馈源支撑塔的最佳数量探究

【摘要】探讨了不同数量馈源塔移动馈源仓所需的时间，绳索张力的大小，从而得出不同数量馈源塔移动馈源仓的难易程度，得出馈源支撑塔的最佳数量。但受实验条件限制，此项研究的数据凌乱，无法得出准确结果。

【关键词】馈源塔；数量；时间；张力

一、研究背景

FAST的主体由四大工艺系统构成，分别是主动反射面、馈源支撑、接收机、测量和控制。其中独特的馈源柔索支撑系统是 FAST 望远镜的主要创新和关键技术之一，由馈源舱、钢索、支撑塔、塔底卷扬机等机械设备、以及相关通信和控制设备构成。

馈源舱可经钢索牵引在一个口径约 206 m 的球冠状焦面内进行大范围运动和精确定位，也可以垂直下降(入港)进入反射面底部的舱停靠平台进行设备检修和维护。

馈源支撑塔是整个馈源支撑系统的核心承载结构，是保障FAST获得有效信号的重要构件。馈源支撑塔的数量及分布方式决定了馈源仓移动的效率和稳定性。

二、实验材料

馈源舱模型；卷尺；柔性绳索；羊眼螺钉；橡胶手套；铝箔纸

三、研究过程

1.实验设计

影响馈源舱移动效率的变量数量众多且复杂，本实验仅从馈源支撑塔的数量角度分析支撑塔的数量对效率的影响。衡量效率的变量也众多且复杂，本实验仅从馈源舱移动至目标点位所需时间及柔性拉索的张力来衡量馈源舱移动效率。

所以本实验的自变量为馈源支撑塔的数量，因变量为馈源舱移动至目标点位所需时间及柔性拉索的张力。

 

2.准备馈源舱

①六边形相框作为馈源舱模型，将六边形周长2等分、3等分、4等分、5等分、6等分，并做标记。

②在标记位置拧上相应数量的羊角螺钉。如图3-1所示

4. 实验场地布置——三维坐标的建立

选择较宽敞的场地，将场地中央附近的一点作为坐标原点；

以坐标原点为中心，制作相互垂直的十字，作为三维坐标的X轴、Y轴；

（本实验在瓷砖地面进行，直接以瓷砖的缝隙和交点建立平面坐标）

用木条制作与地面垂直的支架，作为三维空间坐标的Z轴。

如图3-2所示。

4.支撑塔的确定

由小组同学扮演支撑塔。受人数限制，本实验仅研究2个、3个馈源支撑塔的移动时间及拉索张力。

5.实验过程

初始时刻，扮演“馈源支撑塔”的同学用手拉直绳子，将馈源舱置于坐标原点。

分别有2位和3位同学通过调整绳长，分别将馈源舱从坐标原点移动到目标位置A（0.4,0,0.3），B（0.3,0.4,0.5），C（-0.2,0.3,0.4），坐标系以米为单位。共计6组实验。

实验过程中，有一位同学负责位置定位、时间和张力的测量与记录。

如图3-3，图3-4，图3-5，图3-6。

 

 

 

 

四、结果与分析

1.实验数据记录

表3-1馈源支撑塔的最佳数量初探数据记录表

2.实验现象分析

①馈源支撑塔数量、位置不同，移动馈源舱至指定位置的难易程度不同。但数据毫无规律。

②造成数据差异且无规律的原因是多方面的。

a. 以人作为馈源支撑塔和拉动绳索的动力，动力的输出是不均衡的，受每个人的操作习惯和熟练度的影响很大。

b.数据量太少，无法通过大数据的分析得出普遍规律。

c.受人数限制，无法进行更多支撑塔的实验。

五、结论

综合以上因素，本实验无法得到馈源支撑塔的最佳数量。必须改进实验方法，选择更合适的器材和测量工具，进行更多的实验。

六、拓展研究

 通过查阅文献资料，了解FAST馈源支撑塔的工程实施的真是情况。

1.移动馈源舱的需求

因宇宙射线的角度复杂多变，为确保汇聚效果，需要对反射面进行调整，射线会聚的焦点也会发生相应的变化，馈源舱需要根据焦点的变化进行位置的调整。

馈源舱位置的调整是在一定空间的上下左右的调整。

2.六塔式结构

馈源支撑塔是整个馈源支撑系统的核心承载结构，是钢索承载和驱动的依托支架，并为塔顶导向滑轮提供足够刚性的支撑平台，保证驱动钢索能够牵引馈源舱在预定轨迹上运动。馈源支撑塔共六基，分布在主动反射面圈梁的外侧，其位置均匀布置在 600 m 直径圆上，其圆心与圈梁的圆心重合。

相邻各塔中心坐标与场地中心坐标的水平连线夹角为 60°，六塔按时钟方位分别命名为 1H、3H、5H、7H、9H 和 11H。六塔塔顶设备层平台海拔高度均为 1108 m，其上安装钢索的导向滑轮和回转机构。

钢索张力是由六根并联钢索牵引馈源舱升空并在焦面上运动所产生。

工程设计人员无论是馈源支撑塔，还是塔基；无论是附属设施，还是防雷接地；无论是安装钢索，还是导索；无论是6座支撑塔塔索联动，还是预防塔架位移；无论是防止塔架变形，还是防洪排水，均经过大量科学的分析、计算、论证，并多次进行可研方案修订、完善，最终提出FAST馈源支撑塔工程项目“特色长短腿”为主的设计方案。

八、创新点

本课题的创新之处在于：实事求是开展实验，分析实验误差，得出真实结论，即无法通过本实验获得最佳支撑塔数量。而后通过文献资料的查询，了解支撑塔的工程设计及施工的真实情况。

七、参考文献

[1]李辉,李庆伟.FAST馈源支撑塔结构优化设计[J].工程力学,2017,34(S1):273-281.

[2]秦庆芝 等 中华人民共和国国家知识产权局实用新型专利.FAST馈源支撑塔

申请号201621085004 .5

 

 

附录

实验过程图片。

图3-1：准备馈源舱

图3-2：三维坐标的建立

 

图3-3：实验、测量、记录

图3-4：实验、测量、记录

图3-5：实验、测量、记录

图3-6：实验、测量、记录

 

汇报PPT