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项目负责人：傅晓彤
项目成员：胡启航 王子豪
指导教师：高立 兰名荥
摘要： 本项目是基于“中国天眼”——FAST射电望远镜工程，结合STEAM科学理念和多种研究方法的展品设计。通过对FAST模型的简要还原，可以清晰展示动态反射面板技术、动态馈源舱技术和FSAT动光缆优秀的机械性能。通过对FAST动光缆与普通光缆的性能对比，观众能够直接了解光缆的性能优势；利用视频播放的形式让观众对动态反射面形成直观认识；3D打印机的电机联动原理能让模型中的馈源舱运动到指定位置。
射电望远镜是指观测和研究来自天体的射电波的基本设备，可以测量天体射电的强度、频谱及偏振等量，包括收集射电波的定向天线，放大射电信号的高灵敏度接收机，信息记录﹑处理和显示系统等。1990年，青海德令哈13.7米毫米波射电望远镜基本建成，并开始观测氨和水分子的谱线。1996年，13毫米的制冷接收机研制完成，正式开始毫米波的观测。德令哈13.7米毫米波射电望远镜是我国第一台毫米波射电望远镜，能够在85～115GHz波段上进行银河系内分子云、星际分子谱线巡天等天文观测研究。21世纪以来，北京密云、云南昆明和上海先后建成了直径50米、40米和65米的射电望远镜，2016年9月25日，有“中国天眼”之称的500米口径球面射电望远镜搭建完成并启用。其他国家像日本、美国等也多次搭建了不同规格的射电望远镜。在中国FAST建成之前，世界最大的单口径射电望远镜是位于美国波多黎各阿雷西博天文台的Arecibo射电望远镜。该望远镜的初建直径达到305米，后扩建为350米。
在FAST工程中通过馈源舱进行信息传送，但是馈源舱是不断运动的，这就对光纤有很大的要求。FAST所需的动光缆的机械性能是普通光缆无法满足的，所以需要“量身打造”专门的光缆。在精密技术领域，国外对我国实施技术封锁，我国科学家需要自行研制。研制的基本法则就是天文台提出的要求——光缆能在5年内抗6.6万次拉伸和弯折、信号衰减波动小于0.1dB。
2014年，烽火通信成功设计了适用FAST应用的光缆结构。实验表明，该光缆在优异的光学传输性能下，具备10万次的反复弯曲、卷绕和扭转等机械特性。同年，动光缆正式投产。
我国在射电望远镜方面取得了巨大成就，但是由于该领域较为艰深，大众对其了解并不多。本项目旨在通过设计FAST科普互动展项，让大众了解更多关于射电望远镜的基础知识和我国高新技术领域的成就。
FAST是一个位于中国贵州的口径达500米的球面射电望远镜，被誉为“中国天眼”。1994年，我国天文学家提出构想，最终在2016年正式落成。FAST主要用来接收来自宇宙深处的电磁波，是我国自主研发的世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。
FAST的三大独创技术是：①以天然的喀斯特洼坑作为台址；②洼坑内铺设数千块单元组成冠状主动反射面；③采用轻型索拖动机构和并联机器人实现接收机高精度定位。
动光缆是国家天文台、烽火通信和北京邮电大学花费4年时间，为解决FAST望远镜信号传输条件下的高功率稳定和低损耗问题，经过自主研发设计和多次长期工况模拟试验测试，研制成功的专门用于FAST望远镜的光缆。最终用在FAST望远镜上的48芯的动光缆经受反复弯曲、卷绕和扭转等机械性能和恶劣自然环境考验，创造了抗10万次弯曲疲劳寿命的世界纪录，有效解决了当前FAST望远镜天文信号在低衰减波动性能要求下的传输可靠性问题。
本项目主要设计了一个小型的FAST模型，通过表现动态反射面、馈源舱动态动作、动光缆动态特性，以FAST的真实情况为基础，综合考虑成本、展示效果、设计及制作难度等，最终决定突出表现FAST工程中几项关键技术，即动态馈源舱技术及动光缆技术，并让观众在安全的情况下通过实际操作体验来获得知识。
项目最终完成符合以下六个指标的展品：①模型直径约1.5米；②动态反射面原理表达正确；③动态馈源舱运动正确，受力建模正确；④动光缆特性表达准确，观众易于理解；⑤各视频播放正常；⑥6个钢塔的受力建模正确，显示及联调正确。
项目研究过程中采用了科学研究方法中常用的调查法、实验法、模拟法等方法，项目组人员多次向北京邮电大学的林中教授请教FAST动光纤的相关问题，收集大量技术资料，并且多次讨论如何展现这三项核心技术。在项目过程中通过数学建模与仿真工具对整体展品进行模拟分析，通过多种研究方法确定了最后的技术方法与实施方案，如图1所示。
图1 项目技术路线
撰写项目研究方案，做好申报、立项及论证工作；进行资料收集、整理，对FAST动光缆模型进行需求分析，构思整体模型，完善技术及展示设计方案。
请专家指导，通过Matlab仿真馈源舱在不同位置时钢塔的受力情况；案例研究，查阅动态反射面技术原理的资料，制作视频；通过仿真分析数据，利用取得的阶段性研究成果对FAST模型进行设计和建造，在完成主体模型之后再进一步完善细节，像安装手摇轮、设计安装动光缆和普通光缆、显示设备的安装等工作。
收集整理项目研究的数据资料，并且对整体模型所完成的功能进行分析测试；撰写项目研究报告。本项目研究方法以实验法、模拟法为主，以对比法和调查法为辅。
本项目主要围绕STEAM理念进行设计展示，最终展品的整体设计主要考虑了以下几个方面。
展示的最终目的是吸引观众，达到科普的效果。在展示设计中，了解人体在展示空间中的行为状态和适应程度，是确定各项空间设计的依据。本项目主要考虑两个方面：第一，展示设计中各种空间尺度适应人体的需求；第二，展示设计中尺度、光照、色彩更好地适应人的视知觉。
FAST的设计理念是利用中国贵州的喀斯特洼地，建造球反射面的“喀斯特工程”，直接在洼坑内铺设了数千块单元，组成500米球冠状主动反射面。
反射面板是决定FAST探测威力和探测精度的核心要素，用于汇聚无线电波供馈源接收机接收，由4450块反射面单元（一个单元包括多块面板）组成，其表面积约为25万平方米，相当于30个足球场。反射面可主动变位，即根据观测天体的方位，在500米口径反射面的不同区域形成直径为300米的抛物面，以实现天体观测。但是在展示设计中，考虑到动态反射面不可能是一块反射面单独动，都是一部分面积联合动。而且动的范围非常小，最大的动态范围为1.5米左右。作为模型来说，几乎可以认为不动。所以采用视频播放的方式来表达动态反射面技术的原理。
我国科学家创新设计在FAST周围的山上建造6个钢塔，延伸出6根、每根600多米长的钢索拽起馈源舱，通过塔下机房内的卷扬机收放6根钢索，以调节馈源舱在空中的位置，使之永远处在球面（抛物面）的焦点上，把几千平方米的球面接收到的信号聚拢起来，并接收进行处理。观众通过手摇轮来控制馈源舱的位置，通过显示系统来显示此时系统所对应的天空区域。并且，将动光缆的结构、组成、动态特性等指标实时直观地通过视频展示。
基于项目的核心目的，最终设计了相应的科普展品。①通过模型，使观众能够身临其境地感受FAST，并且可以虚拟改变动光缆的状态，感受动光缆的传输性能。②现场展示FAST动光缆，模拟营造FAST的实际环境，再现动光缆工作时的传输性能。在扭转弯曲时，图像信号的传输情况使观众直观感受动光缆的形变对传输信号的影响。③同时放置非动光缆结构普通光缆，展示在相同环境下的传输性能。并同时将两种光缆呈现的图像相互比对。④观众可自主改变动光缆的运动状态、程度以及各项环境参数。并且可以在光缆输入端选择不同的视频信号，然后观察输出端的输出信号情况。
在完成项目的过程中遇到了很多技术难点，例如模型太小无法全面展示动态反射面和馈源舱的原理，动光缆的内部特性表达不易。为了更好地解决这些问题，项目成员多次查阅资料，最后得到了较为满意的解决方案。项目的完成不仅仅解决了以上几个难点，还具备以下创新点：①采用3D打印技术完成模型建模；②采用视频和数学建模的方法表现动态反射面技术；③采用数学建模技术展示馈源舱的动态动作范围与斜拉钢索的受力关系；④将光栅技术原理应用于手柄摇轮上，避免机械性损伤；⑤采用视频联动播放控制技术，展现动光缆的机械特性及结构特性。通过这些创新点实现了对于FAST工程中FAST动光缆、动态馈源舱，和动态反射面技术的很好的交互展现，并制作模型（见图2）。
图2 FAST整体模型
FAST工程主要由馈源支撑系统、测量与控制系统、馈源与接收机系统三大主体工程构成。通过已完成的模型可以看到六个塔在动态反射面周围，每个塔都连接着处于空中的馈源舱，由于尺寸的问题我们把伺服电机和驱动主板放在了模型的下面，外面观众的操作会通过主板驱动电机使馈源舱到达预定的位置，在馈源舱到达预定的位置之后置于后面的屏幕会自动显示所对应的星空（见图3、图4）。
图3 猎户座
图4 蟹状星云
通过驱动主板与电机实现了动态馈源舱与星空的联系，让观众对于馈源舱的运动与FAST射电望远镜的功能有一个初步直观的印象。
FAST工程通过三个伺服电机实现了对馈源舱的精准控制，在模型里也是通过三个伺服电机实现了馈源舱的运动，由于涉及三个电机联动，利用建模与受力分析不断调整，让馈源舱可以到达指定位置。由于制作的模型体量太小，主动反射面的原理无法在这种规格的模型上还原，而且考虑模型的耐用性，最后采用视频的方式对动态反馈面的原理进行展示。
在FAST动光缆性能展示部分，不同位置的星空会通过FAST动光缆和普通光缆两种光缆对应显示，两种光缆都处于观众可接触的外界，我们让两个屏幕通过同一信号源传输，再通过两种光纤进行对比，我们知道FAST动光缆具备普通光纤无法达到的硬性指标，观众在参观时可以对两种光纤进行弯曲、卷绕和扭转，两种所连接的屏幕上所展示的图像会因为这一系列的操作出现不同的情况：普通光纤对应的屏幕经过这系列操作产生了明显的失真，而FAST动光缆所连接的屏幕则没有明显的变化。通过这一系列操作可以让观众对FAST动光缆的性能有明确的了解。
本项展品填补了国内关于射电望远镜和光纤类展品的空白。模型结合世界瞩目的FAST射电望远镜的背景与北京邮电大学的技术能力，不仅有效展示了FAST模型中几个关键技术点，更是达到了将FAST动光缆的优势特点清晰地向观众传递的目的。整个展品符合STEAM理念，并且可以面向不同年龄段观众科普不同层次的知识。展品专业性强，汇集了射电望远镜最新的科研成果，且可以依托于北京邮电大学科普互动展厅这一优秀的展示平台进行全面的技术应用展示；科研成果转化有着得天独厚的孵化条件；展品科普性强，用户体验多样化，便于知识普及。
总而言之，FAST动光缆技术拥有很好的行业示范性，本项目校企联合，实现了科研向产品、产品向展品的成功转化，不失为一个成功的案例。