大天顶角观测下FAST主动反射面变位策略与安全评估方法研究

Large zenith angle observation can enlarge the sky coverage of FAST to achieve more scientific goals. The reflector of FAST has huge structure and complicated system, and withstands the long-term fatigue loading of ultra-high stress amplitude in the process of deformation. Moreover, when the zenith angle exceeds 26.4 °, the illumination area overflows the boundary of the reflecting surface, which causes the unstrained down-tie cables, some main cables withstand extra high stress amplitude, and the adjacent panels impact with each other. In order to run the main reflector safely and efficiently, we intend to study the deformation control under the large zenith angle observation to solve the problem of ultra-high stress amplitude. We plan to establish the high-precision mechanical model of the main reflector for large zenith angle observation and study the solution of deformation for decreasing the stress amplitude of reflector based on the self-adaptive control theory and numerical fitting. The assessment of safe state for the reflector structure, which produced from this study, will supply the scientific basis and technical support for large zenith angle observation of FAST.

大天顶角观测是FAST望远镜通过增加天区覆盖的方式实现更多科学目标研究的重要手段之一。FAST反射面结构体量巨大、体系复杂，在变位过程中会长期承受超高应力幅的疲劳载荷。且由于反射面结构的限制，天顶角超过26.4°时，照明区域溢出反射面边界，其变位会出现下拉索虚牵、部分主索应力幅过高及相邻面板干涉等问题。对此，本项目针对应力幅过高的问题，拟开展FAST在大天顶角观测下变位控制的研究，以实现反射面安全且高效地运行。本项目将通过建立适用于大天顶角观测模式下高精细化力学模型，采用自适应控制理论与数值拟合方法，研究有效降低反射面应力幅的变位策略，评估反射面结构安全状态。本项目的顺利实施，有助于为FAST在大天顶角观测下的运行提供科学依据与技术支持。

FAST望远镜是目前世界上灵敏度最高的单口径射电望远镜，随着天顶角增加，将获得更大的天空覆盖范围以实现更多的科学目标。受主动反射面结构限制，当天顶角超过26.4°时，照明区域溢出反射面边界，反射面变位会出现下拉索虚牵、部分主索应力幅超高及相邻面板干涉等问题。针对以上问题，考虑反射面结构体量巨大，体系复杂且变位过程中长期承受超高应力幅的疲劳载荷。本项目拟开展对大天顶角观测模式下FAST变位控制的研究，通过优化反射面的变位策略，有效较低应力幅，实现反射面安全、高效地运行。具体研究过程如下，建立FAST反射面精细化的有限元模型，为大天顶角下变位策略仿真奠定基础；基于量纲分析方法明确变位策略与应力幅的关系，通过多目标优化方法建立应力幅最小的变位策略；利用有限元模型，验证优化后的变位策略及评估结构安全状态，为FAST观测输入提供科学依据及奠定基础。