趙正旭,劉曼云,宋立強(qiáng),溫晉杰,趙衛(wèi)華,彭育貴
(1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,青島266520;2.石家莊鐵道大學(xué)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所,石家莊050043;3.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái),北京100012;4.石家莊鐵道大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,石家莊050043)
500 米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope),簡(jiǎn)稱FAST,目前是世界上口徑最大的射電望遠(yuǎn)鏡,其靈敏度、觀測(cè)范圍等都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國(guó)的Arecibo 300 米望遠(yuǎn)鏡,F(xiàn)AST 將在未來(lái)二三十年內(nèi)保持世界頂尖設(shè)計(jì)水平[1]。FAST 的實(shí)施將對(duì)天文學(xué)科的發(fā)展提供眾多的信息資源,F(xiàn)AST 的觀測(cè)范圍將擴(kuò)展到宇宙邊緣,對(duì)暗物質(zhì)、暗能量進(jìn)行發(fā)現(xiàn)與觀測(cè);與其他望遠(yuǎn)鏡相比,在同樣的時(shí)間內(nèi),發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星以及脈沖星的位置信息,便能對(duì)宇宙中各個(gè)星球的位置關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步掌握與探測(cè),對(duì)深空探測(cè)具有更高的價(jià)值;還有望于檢測(cè)到星際通訊信號(hào),對(duì)發(fā)現(xiàn)地外文明的發(fā)現(xiàn)提供可能性。對(duì)FAST 結(jié)構(gòu)的分析以及數(shù)字化模型的創(chuàng)建,將對(duì)FAST 這一項(xiàng)重大工程進(jìn)行國(guó)內(nèi)外的科普,有助于大眾對(duì)FAST 結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)功能的深入了解,同時(shí)也方便管理者對(duì)FAST 實(shí)施更進(jìn)一步的維護(hù)與管理。
FAST 被譽(yù)為“中國(guó)天眼”,由天文學(xué)家南仁東于1994 年構(gòu)想而成,經(jīng)歷了22 個(gè)春秋才建造完成,最終在2016 年9 月25 日正式啟用。FAST 具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),是世界上單口徑最大、靈敏性最高的射電望遠(yuǎn)鏡,其綜合的性能是享譽(yù)世界的射電望遠(yuǎn)鏡阿雷西博的十倍,在未來(lái)的星空有非常大的優(yōu)勢(shì),在未知星體的發(fā)現(xiàn)中也會(huì)占有絕對(duì)的主導(dǎo)地位。FAST 位于貴州省平塘縣的一處喀斯特洼坑地勢(shì)中,選取這樣的地勢(shì)也是具有科學(xué)依據(jù)的,此卡斯特洼坑的地勢(shì)最接近FAST 望遠(yuǎn)鏡的造型,從而可大大降低工程挖掘的工作量;而且下雨天,喀斯特的地質(zhì)可保障雨水滲入地下,而不會(huì)長(zhǎng)期聚積在望遠(yuǎn)鏡上,對(duì)望遠(yuǎn)鏡造成腐蝕損壞;貴州山崖嵩立,F(xiàn)AST 望遠(yuǎn)鏡尋址之處鄉(xiāng)鎮(zhèn)稀疏,觀測(cè)時(shí)無(wú)其他障礙的影響,為FAST 提供了得天獨(dú)厚的地勢(shì)條件。
FAST 望遠(yuǎn)鏡由主動(dòng)反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、測(cè)量與控制系統(tǒng)、接收機(jī)與終端及觀測(cè)基地等幾大部分構(gòu)成[2]。下面介紹一下FAST 主體結(jié)構(gòu),F(xiàn)AST 口徑為500 米,索網(wǎng)結(jié)構(gòu)由近萬(wàn)根鋼索組成,索網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)FAST 的主動(dòng)反射面具有支撐作用,是反射面進(jìn)行變位過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)。整個(gè)索網(wǎng)包括6670 根主索、2225 個(gè)主索節(jié)點(diǎn)[3];反射面索網(wǎng)安裝在環(huán)形的圈梁上,圈梁由50 根格構(gòu)柱支撐著;索網(wǎng)上安裝著4450 個(gè)反射面單元,2225 個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)下方處有下拉索,下拉索連接著促動(dòng)器裝置,促動(dòng)器又與地錨相連接,通過(guò)對(duì)下拉索的控制,可改變索網(wǎng)的形狀,進(jìn)而控制反射面的形狀,形成球面、拋面不同的形狀來(lái)滿足對(duì)不同天文信號(hào)觀測(cè)和收集的需要。饋源艙約重30 噸,它由6 根鋼索牽制著,6 根鋼索分別連接在洼坑周?chē)? 座支撐塔上。鋼索通過(guò)塔上滑輪等裝置對(duì)饋源艙實(shí)施控制,可使饋源艙在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng),這是對(duì)饋源艙的一級(jí)控制;二級(jí)控制來(lái)自于饋源艙底部的AB 軸,可控制饋源艙更加精準(zhǔn)的位置;三級(jí)控制時(shí)通過(guò)Stewart 平臺(tái),避免風(fēng)力的干擾并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位[4]。饋源艙具有聚焦的作用,可把反射面反射到的外太空中的電信號(hào)聚焦到饋源艙內(nèi)部,從而方便研究者的觀察與研究。
FAST 可以接收到來(lái)自137 億光年以外的電磁信號(hào),范圍甚至可以達(dá)到宇宙的邊緣;FAST“眼球”的直徑為500 米,接收光線的“眼珠”直徑可達(dá)300 米,對(duì)電磁波的感應(yīng)以及深空的探測(cè)非常靈活;FAST 望遠(yuǎn)鏡不僅限于銀河系的范圍,可發(fā)現(xiàn)銀河系以外的新星,甚至是旋轉(zhuǎn)速度特別快的脈沖星也能被FAST 捕捉。FAST的貢獻(xiàn)不僅僅是對(duì)天文學(xué),對(duì)人類(lèi)與自然中的科學(xué)發(fā)現(xiàn)也有重大幫助[3]。FAST 首先會(huì)在觀測(cè)頻率大約為280MHz~1620MHz 的低頻下對(duì)脈沖星進(jìn)行搜索[5],脈沖星的發(fā)現(xiàn)與研究對(duì)深空探測(cè)、深空自主導(dǎo)航等方面的應(yīng)用具有重要的引導(dǎo)作用[6]。FAST 望遠(yuǎn)鏡將推動(dòng)我國(guó)的天文觀測(cè)水平進(jìn)軍為國(guó)際先進(jìn)水平,為我國(guó)的天文科學(xué)家提供了研究平臺(tái)與研究信息,通過(guò)對(duì)FAST 望遠(yuǎn)鏡所獲得的宇宙中的信息進(jìn)行研究,可進(jìn)一步探索宇宙的起源與演化、星體的成分與類(lèi)別、宇宙中可能存在的星際通訊信號(hào)等,將不斷對(duì)宇宙中的未知進(jìn)行解密。
提到建模,自然而然會(huì)想到3D Studio Max 這一款建模軟件,3D Max 可用于三維建模,對(duì)模型進(jìn)行色彩、紋理、質(zhì)感等設(shè)定,還可通過(guò)控制光的強(qiáng)度、顏色、反射方式來(lái)模擬真實(shí)光影效果[7],其功能齊全,適用范圍非常廣泛。文中關(guān)于FAST 模型的可視化研究與實(shí)現(xiàn)是基于Linux 系統(tǒng),所以適用于Windows 操作系統(tǒng)的3D Max 便不再適用于Linux 系統(tǒng)。以開(kāi)源的Linux 系統(tǒng)為基礎(chǔ),國(guó)內(nèi)已經(jīng)有中科紅旗、中標(biāo)麒麟和深度操作等系統(tǒng)版本[8]。之所以選擇中Linux 系統(tǒng),是因?yàn)閲?guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)擁有著強(qiáng)化后的Linux 內(nèi)核,根據(jù)不同客戶的需要可有桌面版、通用版、高級(jí)版、安全版等;中標(biāo)麒麟從管理員分權(quán)、細(xì)粒度的自主訪問(wèn)控制等多個(gè)方面為系統(tǒng)的安全提供保障,所以相對(duì)于Windows 操作系統(tǒng)而言,中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)具有更高的安全機(jī)制。如在Windows 系統(tǒng)上可以運(yùn)行的病毒程序并不適用于中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng);中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)的開(kāi)源性會(huì)自主修復(fù)系統(tǒng)漏洞,隨著國(guó)家對(duì)信息安全的重視程度越來(lái)越高,中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)在不斷地發(fā)展,其系統(tǒng)在不斷地完善[9],現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于金融、交通、政府等領(lǐng)域。
本文中,基于中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng),采用的建模軟件為Blender。Blender 是一款支持跨平臺(tái)的三維動(dòng)畫(huà)制作軟件,可在Windows、Linux、OSX 等操作系統(tǒng)上應(yīng)用,擁有建模、動(dòng)畫(huà)制作、材質(zhì)處理、渲染等一系列功能,有BGE(Blender Game Engine)模塊[10]。其開(kāi)源免費(fèi)、體積小的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的應(yīng)用與支持。此外,Blender 與Unity 具有很好的交互,大部分的建模軟件所建造出來(lái)的模型,如果要應(yīng)用到Unity 中,首先需要將模型導(dǎo)出為FBX 的格式,而使用Blender 建模軟件,則不需要將模型導(dǎo)出,直接把工程導(dǎo)入到Unity 中便可。
饋源艙是FAST 望遠(yuǎn)鏡的核心部位,其重量之大要求用獨(dú)特的柔索來(lái)對(duì)其進(jìn)行拖動(dòng)、牽制,柔索可控制饋源艙在反射面上方特定的范圍內(nèi)進(jìn)行緩慢的移動(dòng),從而可實(shí)時(shí)跟蹤反射面焦點(diǎn)的變化,收集反射面焦點(diǎn)所接收到的天體信號(hào),此接收方式相對(duì)靈活,不再受以往饋源接收機(jī)與反射面位置相對(duì)不變的限制[11]。饋源艙精確位置的確定需要6 個(gè)索驅(qū)動(dòng)裝置和饋源艙內(nèi)部的部件來(lái)控制,索驅(qū)動(dòng)裝置和饋源艙內(nèi)部AB 軸機(jī)構(gòu)可對(duì)饋源艙的位置進(jìn)行粗略的確定,索驅(qū)動(dòng)裝置為6 座支撐塔頂端與底端的滑輪裝置和6 根鋼索,由于鋼索會(huì)受到風(fēng)的干擾,所以對(duì)饋源艙位置進(jìn)行控制時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,所以就需要其他系統(tǒng)部件來(lái)對(duì)饋源艙實(shí)施精準(zhǔn)的控制。饋源艙內(nèi)部的Stewart 平臺(tái)可避免風(fēng)力的干擾,從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)饋源艙精確位置的控制,Stewart 平臺(tái)是一種并聯(lián)機(jī)構(gòu),并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有鋼度高、精度高的優(yōu)點(diǎn)[12]。饋源艙在整個(gè)焦面上運(yùn)動(dòng)有一定的傾覆角,但不會(huì)對(duì)饋源艙工作的正常性與安全性造成影響[13]。
饋源艙由多個(gè)結(jié)構(gòu)組成,包括星形框架、Stewart 平臺(tái)(Stewart 平臺(tái)中包括上平臺(tái)、下平臺(tái)、分支桿等)、AB軸機(jī)構(gòu)、多波束接收裝置等。星形框架在饋源艙的最外側(cè),包裹著饋源艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu),星形框架上有連接索驅(qū)動(dòng)的3 組艙索錨固頭支座,可由索驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行控制[14];饋源艙內(nèi)部的結(jié)構(gòu),分別為上平臺(tái)、AB 軸、下平臺(tái)、分支桿以及多波束接收裝置。AB 軸機(jī)構(gòu)中可繞A、B 兩軸旋轉(zhuǎn),通過(guò)對(duì)AB 軸機(jī)構(gòu)的控制,可避免索牽引帶來(lái)的指向不準(zhǔn)確的問(wèn)題[15],實(shí)現(xiàn)對(duì)饋源接收機(jī)的控制。Stewart 平臺(tái)同樣可對(duì)饋源接收機(jī)進(jìn)行調(diào)整,避免風(fēng)力對(duì)饋源艙位置的影響,可對(duì)饋源接收機(jī)位置進(jìn)行精確控制。分支桿用來(lái)連接上平臺(tái)和下平臺(tái),具體安裝位置由上平臺(tái)分支桿的安裝位置點(diǎn)和下平臺(tái)分支桿的安裝位置點(diǎn)來(lái)確定。
(1)饋源艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建模
在Blender 中建模,如饋源艙內(nèi)部部分結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建,其模型如圖1 所示,其中包括四個(gè)立方體,首先可創(chuàng)建一個(gè)立方體,然后在右側(cè)的任務(wù)欄中找到尺寸設(shè)置,通過(guò)修改x、y、z 值的大小來(lái)確定立方體的長(zhǎng)、寬、高,如設(shè)置立方體的規(guī)格尺寸為(1,1,1)(單位為m);然后找到位置設(shè)置,通過(guò)修改x、y、z 的值來(lái)改變立方體在x 軸、y 軸、z 軸的相對(duì)位置,如確定立方體在x、y、z軸上的位移分別為(0,3.26,0)(單位為m),就確定了立方體的位置,接下來(lái)需要?jiǎng)?chuàng)建剩余的三個(gè)立方體,這四個(gè)立方體是完全一樣的,每?jī)蓚€(gè)立方體分別關(guān)于x 軸、y 軸對(duì)稱,我們可以對(duì)所創(chuàng)建的立方體繞軸z=0 旋轉(zhuǎn)。首先將立方體的原點(diǎn)設(shè)置為3D 游標(biāo),3D 游標(biāo)坐標(biāo)為(0,0,0),然后對(duì)立方體進(jìn)行復(fù)制,在右側(cè)任務(wù)欄中的旋轉(zhuǎn)任務(wù)欄中,將z 的角度增加90 度,然后按回車(chē)鍵就做好了第二個(gè)立方體,第三個(gè)、第四個(gè)立方體以此類(lèi)推。如果要復(fù)制的物體非常多,一一復(fù)制旋轉(zhuǎn)會(huì)造成工作量巨大,所以可以用陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先創(chuàng)建立方體1,確定好大小、位置后,將立方體1 的原點(diǎn)設(shè)置為3D游標(biāo),3D 游標(biāo)坐標(biāo)為(0,0,0),這樣可以保證在對(duì)立方體1 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)是繞z=0 軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的,然后對(duì)立方體1 進(jìn)行復(fù)制,接著點(diǎn)擊工具->旋轉(zhuǎn)->約束軸:Z 軸->角度:60 度,這樣就可看到立方體2,是在立方體1 的位置繞軸z=0 旋轉(zhuǎn)60 度得到的;然后選中立方體1,從右側(cè)任務(wù)欄中找到修改器,依次點(diǎn)擊添加修改器->陣列->數(shù)量:6->取消其他偏移類(lèi)型的勾選,勾選物體偏移并選擇立方體2,就得到了6 個(gè)均勻分布的立方體。
對(duì)饋源艙內(nèi)部如圖1 所示模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,主要部分有4 個(gè)箱體,4 個(gè)箱體根據(jù)圖紙尺寸以及上述方法進(jìn)行出創(chuàng)建,還有四個(gè)相同的桁架,桁架看起來(lái)很復(fù)雜,其實(shí)不然,對(duì)于桁架的創(chuàng)建,根據(jù)其中一個(gè)桁架中鋼管的尺寸、傾斜角度、連接點(diǎn)等信息的控制來(lái)進(jìn)行創(chuàng)建,并確定好坐標(biāo)位置,其余三個(gè)只需對(duì)已創(chuàng)建出的桁架進(jìn)行復(fù)制并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)即可。從而得到的模型如圖1 所示。
圖1 饋源艙內(nèi)部部分結(jié)構(gòu)模型
上平臺(tái)、下平臺(tái)中都有一些類(lèi)似的結(jié)構(gòu),根據(jù)上平臺(tái)、下平臺(tái)的圖紙,對(duì)上平臺(tái)、下平臺(tái)主體模型進(jìn)行創(chuàng)建。AB 軸、上平臺(tái)、下平臺(tái)構(gòu)成饋源艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu),其模型如圖2 內(nèi)部所示。
(2)星形框架的建模
星形框架看起來(lái)很復(fù)雜,但仔細(xì)分析圖紙會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的結(jié)構(gòu)是有一定的規(guī)律的,其中有很多相同的結(jié)構(gòu),例如先調(diào)整一根鋼管的大小,然后根據(jù)其位置確定其坐標(biāo),再將具有相同結(jié)構(gòu)的鋼管通過(guò)已創(chuàng)建鋼管繞原點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)得到。鋼管與鋼管連接處就需要根據(jù)其坐標(biāo)位置、傾斜角度來(lái)確定。星形框架為饋源艙外部結(jié)構(gòu),可對(duì)饋源艙內(nèi)部的結(jié)構(gòu)起到一定的保護(hù)作用,使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)在工作時(shí)不會(huì)受到外界干擾,在雨天還能避免雨水的滲漏對(duì)饋源艙內(nèi)部觀測(cè)儀器造成侵蝕。根據(jù)圖紙的規(guī)格尺寸,對(duì)星形框架進(jìn)行建模,其主體模型如圖2 中的外部框架所示。
圖2 饋源艙框架模型
饋源艙整體模型如圖3 所示。
圖3 饋源艙模型
艙??科脚_(tái)建在FAST 底部的開(kāi)挖中心處,海拔高度為834 米。??科脚_(tái)是為饋源艙而建造,它是在饋源艙初始裝配與調(diào)試、驅(qū)動(dòng)索和纜線入艙的安裝更換、饋源艙的臨時(shí)??恳约皩?duì)饋源艙進(jìn)行日常的維護(hù)與檢測(cè)而建造,當(dāng)饋源艙需要??繒r(shí),柔索裝置以及饋源艙內(nèi)部的定位裝置就可使饋源艙精確地??吭谕?科脚_(tái)之上,工作人員可以很方便地對(duì)其進(jìn)行艙??科脚_(tái)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,體積大,對(duì)建造的精度要求較高,工作量大,任務(wù)繁重,經(jīng)歷了大量人員的努力于工作時(shí)間才得以建成。
概括來(lái)說(shuō),艙停靠平臺(tái)包括艙支撐裝置、滑輪支撐裝置、控制柜、配電柜、防雷柜等。艙支撐裝置中包含著環(huán)梁平臺(tái)、爬梯平臺(tái)、護(hù)欄以及對(duì)環(huán)梁平臺(tái)起到支撐的立柱;滑輪支撐裝置中包含著滑輪升降裝置、滑輪裝置、平臺(tái)、梯子平臺(tái)、圍框以及對(duì)圍框、滑輪起到支撐作用的支撐裝置,其中又包括固定支撐裝置、活動(dòng)支撐裝置和側(cè)支撐裝置。其中每部分裝置又由更加具體的、基礎(chǔ)的大量物體模型構(gòu)成。
艙支撐裝置,需確定所創(chuàng)建各個(gè)物體的尺寸大小、坐標(biāo)位置、相距距離,物體傾斜角度等即可。對(duì)艙支撐裝置模型的創(chuàng)建用到陳列這一工具,會(huì)提高建模的效率。根據(jù)艙支撐裝置圖紙中的相關(guān)物體尺寸與關(guān)系,所建模型主體如圖4 所示。
圖4 艙支撐裝置模型
滑輪支撐裝置比較復(fù)雜,其中包含著諸多部件,對(duì)滑輪支撐裝置模型的創(chuàng)建需要花費(fèi)較多的時(shí)間。??科脚_(tái)中包含三組相同的滑輪支撐裝置,所以只需創(chuàng)建一個(gè),另外兩個(gè)可根據(jù)已創(chuàng)建模型的復(fù)制、旋轉(zhuǎn)來(lái)得到。對(duì)滑輪支撐裝置諸多構(gòu)成部件的創(chuàng)建,同樣用到布爾這一工具,其中不規(guī)則形狀物體的創(chuàng)建就要借助用布爾工具來(lái)創(chuàng)建,例如其中的筋板、平臺(tái)、滑輪裝置等。根據(jù)滑輪支撐裝置的圖紙,其模型主體如圖5 所示。
圖5 滑輪支撐裝置模型
三組相同的滑輪支撐裝置是圍繞在艙支撐裝置周?chē)?,每組都可以通過(guò)其他組繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)120 度或-120 度來(lái)得到。把艙支撐裝置與三組滑輪支撐裝置組合起來(lái),就成為完整的??科脚_(tái),其主體模型如圖6所示。
圖6 ??科脚_(tái)模型
Blender 是一款適用于中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)且簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)大的建模軟件,在全球?qū)Σ僮飨到y(tǒng)安全性的呼吁聲越來(lái)越大的過(guò)程中,中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)對(duì)于安全性的保障會(huì)使其逐漸成為一種趨勢(shì),而B(niǎo)lender 這一款建模軟件的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。
FAST 是一項(xiàng)浩大的工程,其對(duì)天文學(xué)的研究將提供大量的天體信息資源,助力于天文學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用,其對(duì)天文學(xué)的資源貢獻(xiàn)將是不可估量的。此文對(duì)FAST 中的饋源艙、??科脚_(tái)的工作原理與結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述,并分別進(jìn)行相應(yīng)模型的創(chuàng)建與組合,科普FAST 中饋源艙、??科脚_(tái)的具體結(jié)構(gòu),方便大家對(duì)其中的結(jié)構(gòu)有更加直觀、更加清晰的認(rèn)識(shí)與了解。