蜘蛛人——中國天眼FAST又添了一道亮麗的風景線_風聞

中國天眼FAST又添了一道亮麗的風景線啦！氦氣球蜘蛛人開始在望遠鏡的大鍋（反射面）上面自由行走了。

這個氦氣球蜘蛛人是個啥呢？其實就是FAST的工作人員（蜘蛛人）背上一個氦氣球，通過氣球浮力讓人的體重降至只有原來的六分之一左右，達到望遠鏡的反射面結構能夠承受的一個重量。蜘蛛人在這樣一個與月球表面類似的重力環境下行走，就像美國阿波羅登月宇航員一樣，充滿了輕飄飄失重的樂趣和新奇體驗。當然，FAST的工作人員在鍋面上行走的主要目的是高效率地完成對FAST反射面的檢查和維護作業。

圖1 蜘蛛人在反射面上行走

FAST全稱是500米口徑球面射電望遠鏡，它的反射面是一個開口500米，曲率半徑300米的球冠面，其面積相當於35個標準足球場。為了給反射面下方的螺旋盤山道路留出機動車通過的空間，反射面離地高度都在4米以上，其邊緣因為地形的起伏最高可達50米。

它的上表面是一層厚度僅2mm的懸空支撐的打孔鋁面板，鋁面板下面是數千塊反射面單元背架、索網、節點盤等附屬結構/機構零部件，正常情況下無法承受一名工作人員的體重。這樣一口包含成千上萬個零部件的球面大鍋，如何實現日常的檢查和維護作業是一個大難題！

500米的跨度、50米的高差和邊緣近60度的曲面傾角等現場條件使得工作人員對天眼大鍋進行檢查維護的作業難度大大增加，這些也足以將現有的各種吊車設備拒之門外（普通吊車的吊臂難以覆蓋或兼顧如此巨大的曲面範圍）。如果使用小型移動式機器人代替人工作業，且不説作業的複雜性，一旦拋錨了，還得想辦法把它撈出來，於是氦氣球蜘蛛人呼之欲出。

在這口大鍋裏放飛數個氦氣球蜘蛛人是個不錯的想法，可以對大鍋不同區域同時作業，蜘蛛人完全可以勝任各種複雜作業，在解決安全問題後也是十分可靠的。

圖2 氦氣球飛躍反射面圈樑

那麼氦氣球蜘蛛人是怎麼在大鍋裏行走的呢？我們知道阿波羅宇航員在月球上採取了袋鼠式跳躍的前進方式，因為人在微重力環境下蹦跳前進比跨步行走更容易控制平衡。出人意料的是，我們的氦氣球蜘蛛人採用了爬行的姿勢。看起來似乎不符合人體正常的直立習慣，但這樣重心更穩，也方便工作人員檢查和維護貼近鍋面的零部件。

在氦氣球浮力的牽引下，人在直立姿勢下想趴下來十分困難，所以一開始就改為了爬行模式。為了防止局部壓強過大損傷鍋面，工作人員的手掌、肘部、膝關節和腳尖均佩戴擴大接觸面積的緩衝墊。在傾角較大時，我們減少氦氣球蜘蛛人的淨重力，蜘蛛人藉助抓握反射面板之間的縫隙進行攀援，可以很輕鬆地攀爬到正常重力情況下難以到達的高度。

那麼氦氣球蜘蛛人是怎麼跨過50米的高差進出大鍋的呢？很簡單，我們通過增加或減少設備配重，將氦氣球蜘蛛人調成微浮力或微重力模式，他們就可以輕飄飄地越過50米的障礙，飛進或飛出大鍋。

圖3 氦氣球蜘蛛人準備放飛

可能有人會問，在微重力情況下如果有風怎麼辦？會不會給吹跑了？確實，這是氦氣球蜘蛛人面臨的最大問題。幸運地是，大鍋裏恰好有23個突出反射面的均勻散佈的測量基墩。從蜘蛛人引出至少3根牽引繩分別栓到3個基墩上就構成了一個巧妙的安全輔助系統。

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大風環境下，3根牽引繩張緊，幫助蜘蛛人就地固定在鍋面上，等待大風過去後繼續作業；小風或無風環境下，3根牽引繩鬆弛，蜘蛛人依靠自身的爬行或攀援自由行走。幸運的是，FAST所在的貴州地區屬於靜風環境，大風天氣極少，有利於氦氣球蜘蛛人的行走和作業。

圖4 蜘蛛人攀援到反射面邊緣

氦氣是一種非常安全的惰性氣體，具有很高的浮力。可能有人還會問，萬一氣球裏的氦氣泄露了怎麼辦？首先，氣球材料是特製的防氦氣滲漏、防撕裂的高強度複合纖維材料，擁有多種飛艇等浮空器的使用經驗；其次，氣球本身帶有氣壓調節裝置，不會因為暴曬等高温引起氣壓過高導致氣球爆裂。

在FAST現場試驗的成功標誌着氦氣球蜘蛛人這樣一款完全創新的新型設備正式通過了它的可行性論證，下一步就是根據試驗的結果從各個細節方面不斷改進這款新型產品，直至定型、生產和採購。在不遠的將來，大國重器FAST有了這款設備的加持，將會運行得更加安全和平穩。更讓人嘖嘖稱奇的是，來到FAST參觀旅遊或工作學習的人們將有幸目睹“大鍋內滾小球”的奇觀，從而為中國天眼增添一道靚麗的色彩。

作者簡介

李輝：中國科學院國家天文台副研究員。主要從事FAST望遠鏡研發和運行調試工作，先後擔任FAST饋源支撐系統副總工、FAST調試組結構與工程力學專業組長。

姜鵬：中國科學院國家天文台研究員，博士生導師，FAST總工程師。