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精准测控误差不超0.5毫米 深空之眼五大看点_7

  12月2日凌晨1时30分,搭载着嫦娥三号的长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心腾空而起,展开奔月之旅。亚洲最大的全方位可动的射电望远镜上海佘山65米射电望远镜与北京、云南、新疆的5台望远镜合作完成探月工程的测轨、定轨任务,为嫦娥三号的落月之旅指明方向。嫦娥三号的第一声问候X波段射电信号就是由射电望远镜捕捉到的。鲜为人知的是,这台射电望远镜的高精密轨道,是由位于烟台经济技术开发区的蓝鲸金属修复公司焊接完成的。

  轨道误差不能超0.5毫米

  该射电天文望远镜转动所需的轨道是一个庞然大物,直径约为44米、总长达135米。整个轨道必须保证近乎完美的平整,因为转动中任何轻微的颠簸和倾斜,都会造成巨大的误差,可能就会捕捉不到宇宙中的嫦娥三号。

  根据要求,轨道整体误差不能超过0.5毫米。而且由于轨道不可能整体锻造,需要由30段长4.5米、宽0.55米、高0.24米钢轨焊接完成。设计最终要求,每两段钢轨焊接完成后的误差不能超过0.05毫米。而即使用最精密的数控机床,生产出的钢轨误差也有0.03毫米,最终留给焊接工序的误差空间只有0.02毫米,仅相当一根头发粗细的1/5。

  项目建设方找到了曾多次成功焊接修复大型工件断裂、磨损故障的蓝鲸公司,希望他们能够攻克这一技术难题。】野外作业增加工作难度

  由于该射电天文望远镜高精度轨道精度要求非常高,因此蓝鲸公司起初压力也非常大。据蓝鲸金属修复公司副总经理孙京钢介绍,由于轨道的重量和长度非常大,只能在野外进行作业,无法使用室内的工作平台进行调整。这无疑又给焊接工作增加了难度。

  这项工作的精度要求是我们接受的任务中要求最高的。为了达到标准,我们采取了动态调整的方法,就是以第一段钢轨为基准,来调整其他的钢轨,不断地进行修正。通过这样的手段,将每段的误差都控制到了0.01毫米以下。在焊接领域通常称0.01毫米为一丝,而蓝鲸公司就将焊接工作真正做到了一丝不苟。

  我们光焊接工作就做了半个月,每完成一段焊接,我们的工人就采用靠模修研技术进行修平,全部采用人工的方式,每段焊缝的修研用两三个小时。孙京钢告诉记者,焊接没有造成丝毫误差,曾有一批国外专家到现场参观后,怎么也不敢相信这么精密平整的轨道是焊接完成,都以为是整体锻造而成。

  冒着严寒焊接保证精度此次焊接时间从2010年12月到2011年1月。冬季进行焊接操作,尤其是在户外,焊缝间很容易产生拉应力,从而导致焊接的断裂。那么蓝鲸金属修复公司为什么还是决定在冬季进行操作呢?

  原来由于热胀冷缩的原理,冬季完成的焊接轨道在夏季就会因为膨胀、变长,而产生压应力(指抵抗物体有压缩趋势的应力),因此公司才在冬季冒着严寒进行了工作。天气非常冷,甚至下雨雪,为了不产生拉应力,我们使用了焊接应力驱使工艺,消除拉应力,保证工作质量。孙京钢介绍,克服了精度和严寒问题后,焊接得以顺利进行下去。

  在距离完工仅剩一周时间时,表面硬件标准方面又出现了意想不到的情况。由于我们之前是在室内做的实验,采用的是公司自己的材料和工艺,实验也取得了成功,后来放到室外实际操作,发现由于环境变化使得导热速度变快,再后来发现表面硬件标准与合同要求还有一定差距。为此蓝鲸公司紧急召开会议,决定更换材料和工艺,重新进行表面焊接,重新焊接大概花费了两天时间,最终圆满解决了问题。

  孙京钢表示,该公司还会继续参与高精度轨道的维修,一旦有磨损或者开裂的情况将立刻赶到现场修理。不过到现在为止,还没有发现任何问题。我们公司内部和国家权威机构的探伤检测都显示轨道完全符合标准。虽然签署的合同上规定质保期为一年,但只要一发现问题,我们都会无条件地去检查、维修,这也是为国家航天事业做贡献。

  深空之眼五大看点

  1,工作任务更艰巨。除了为嫦娥绕月测轨外,深空之眼还需引导三姑娘落月、玉兔巡月。2,三维定位更准确,在嫦娥稳定着陆之后,深空之眼可迅速告之着陆器和玉兔所处于的精准位置。

  3,提供数据时间速度更快。VLBI中心向北京航天控制中心准实时提供测量数据的滞后时间由原来的10分钟缩短为1分钟。

  4,测量精度更精确。深空之眼的观测波段将由之前的S波段升级为能量更高的X波段。在地月转移轨道,它们还将交叉观测嫦娥与上百亿光年外的星系射电源。

  5,测量技术更复杂。此次探月,新增加了相对差分单向测距和同波束观测技术,深空之眼不仅可以接收到嫦娥的信号,还可以接收到玉兔的信号,这样两个天线之间的基线灵敏度会大幅提高。

  ■幕后

  巨无霸望远镜为嫦娥引路

  2日11时6分,亚洲最大的65米口径射电望远镜天马望远镜开始正式捕捉嫦娥三号月球探测器。

  中国科学院上海天文台台长、嫦娥三号VLBI测轨分系统总指挥洪晓瑜表示,在接下来的三个月时间里,位于上海佘山脚下的天马望远镜将与北京密云、云南昆明、新疆乌鲁木齐等5台望远镜合作,为嫦娥探月测轨、着陆器落月以及玉兔号月球车定位进行精密测量。

  VLBI(甚长基线干涉测量)是当今天文观测领域分辨能力最高的一种手段。它的神奇之处在于,虽然单个射电望远镜的口径最多不超过100米,但是,当单个射电望远镜与东西南北不同方位的同类望远镜联网,其口径将相当于各方位望远镜间的地理跨度。因此,当上海等4座城市的射电望远镜联手,就会形成一个口径达3000多公里的深空之眼,其测量精度和测量分辨率等效于一台巨无霸望远镜。

  深空之眼如何为嫦娥引路?洪晓瑜介绍,射电望远镜可以通过接收来自嫦娥三姑娘发射的射电信号,精准测量她的方位角并构建天体参考架,再结合USB测距、测速数据处理结果,大幅提高嫦娥落月探测的定轨精度,为玉兔号月球车的勘察定位保驾护航。

  据了解,天马望远镜去年10月建成,可以观测到百亿光年外的天体,综合能力排名亚太第一、世界第四,今年天马望远镜首次加入为探月服务的测轨网。从嫦娥三姑娘发射升空到现在,上海天文台VLBI深空测控指挥中心的50多名工作人员一直都坚守在操作台,以确保嫦娥始终处于正轨。

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