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适用于银河系的GPS
作者:FAULHABER
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伺服与运动控制展厅
电机驱动器, 伺服电机, 伺服控制系统, 数控系统, ...
周围环境发生了哪些变化?不管我们承认与否,我们确实想要了解一切事物。但对于所有人 类和整个地球而言,问题是:银河系正发生哪些变化?令人惊讶的是,我们对此知之甚少,因为我们真的很难从细节中看见整体。然而,英国天文学家发起的MOONS项目旨在改变之一现状。FAULHABER的技术将为此发挥重要作用。

缺乏银河系相关知识

提及探索我们赖以生存的圆盘状螺旋星系时,天文学 家通常会提出一个基本问题:虽然地球不在银河系正中 间,但它仍然位于银河系的盘状平面上。因此,如果想从 地球这个有利角度看到银河系中心,甚至看到银河系另一 边,视野无疑会被无数的恒星挡住。站在地球上观测时,很难甚至无法确定所观测事物在银盘中的位置。对于银河 系,我们知之甚少的一个区域是银河系中心的致密区,在 这里,无数恒星和气体云聚集在一个假定的黑洞周围。但是即将开展的一个重大天文学项目将帮助填补许多 相关知识空白。来自多个国家的八个研究所参与了这个 项目。该项目由欧洲南方天文台(ESO)发起。这个科 学组织正在智利阿塔卡马沙漠运营一些世界上最强大的 望远镜。这些望远镜包括帕拉那尔天文台的甚大望远镜 (VLT),该望远镜口径为8.2米。该项目旨在为VLT装备一种新的仪器,用于捕捉来自太 空的光信号。上述仪器是一种光谱仪,能够同时捕捉落入 光谱可见光和红外光范围的大量宇宙天体。其缩写名称即 为项目名称:多目标光学和近红外光谱仪,MOONS。其 由苏格兰首府爱丁堡的英国天文学科技中心(UK ATC)协调。

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MO33 Galaxy © eso.org

光谱而非照片

“使用高质量照相机时,你可以更换相机镜头。但使 用天文望远镜时,情况正好相反–VLT配有优质镜片,我们只需用我们的MOONS取代目前连接的“照相机” 即可,UK ATC的科学家William Taylor博士解释道。凭 借新技术,MOONS在观测太空方面开辟了全新的可能 性,尽管它不会生成传统意义上的大尺寸图像,只会捕 捉微小细节。它的工作方式如下:与以往的天文望远镜类似,VLT的 巨大镜片和反射镜指向待观测的太空部分。让MOONS的 1001根光纤末端与待观测宇宙区域内的单个天体对齐。这款新仪器并不像照相机一样捕捉整个选定区域,而是让 光纤对准宇宙中的某些点上。甚至也不只是拍摄这些点,而是通过棱镜将其光线分成单独的部分,即不同的波长。Taylor博士解释道:“从科学角度讲,这种方法产生 的信息比图像多得多。”“例如,我们可以了解天体的 化学成分。此外,这允许我们计算其动力学,即运动的 速度和方向。由于MOONS可以捕捉近红外光谱,因此我 们可以精确地分析从遥远天体传到我们这里的光所经历 的红移。”当一颗恒星远离地球时,其光波长会变长。 这就是部分可见光转移到不可见红外光范围的方式,该范围仍然接近可见光谱。

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VLT DWG MON © eso.org

视野中有数千个天体

先前技术允许单独观测最多约100个天体,并且只能 在可见光范围内观测。MOONS不仅把这个数字提升了 10倍,而且也进一步增加了信息的深度。在银河系中,这不仅能让我们更精确地观测到细节,还能更清晰地看 到整个观测环境。“这个项目的一个目标是创建一张银河系的3D地图,让某种GPS能在整个银河系中进行导航。MOONS的分辨率极高,能让我们观测到非常遥远的事物,也能让我们 追溯很久以前发生的事情。我们或许能够触及在几亿年 内发生的大爆炸的成因。”这有助于让科学家探索宇宙 的初创期。Taylor博士说,虽然在当今时代,探索宇宙 初创期在某种程度上已成为可能,但是MOONS能为我们 提供更加清晰、详细的图像。“我们能以前所未有的深度 绘制宇宙的地图。” 天文学家的目标是在大约五年的时间里探索几百万个 天体。为了达到这一目标,这台光谱仪的1001根光纤必 须快速且大部分自动指向宇宙天体。这可以通过相同数 量的光纤定位单元(FPU)实现。每个FPU都有两个步 进电机驱动单元,安装在回差缩减直齿轮减速箱上。后 面的驱动单元可以推动FPU的中心轴(α)。偏心安装 在FPU上的前电机减速箱驱动单元(β)同时推动光纤 尖端。两个轴向运动的结合可以让每个FPU覆盖一个圆 形区域,在该区域内可以随机对齐光纤。该区域与相邻 FPU的区域部分重叠。这意味着可以控制捕捉区内的每 个点。为了满足定位重复性方面的挑战性要求(这是避 免FPU尖端之间碰撞的必要条件),驱动系统解决方案 必须极其精确。为了确保所需的精度并避免FPU尖端之间 的碰撞,系统必须以高重复性运行。高质量步进电机源自 FAULHABER PRECISTEP;FAULHABER Minimotor 的零回 差减速箱有助于提高定位精度。FAULHABER子公司mps负 责模块的机械设计。

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Moons at VLT © eso.org

特制瞄准装置

“我们收到了FAULHABER集团所有三家参与公司提 供的非常宝贵的意见,”负责UK ATC的FPU开发工作的 Steve Watson博士报告称。“如果没有他们提供的专业 知识,我们就不可能以这种形式开发出这个核心模块, 尤其是不可能达到我们所要求的数量。除了光纤的对齐 速度之外,还必须确保对齐非常精确。我们实现了0.2度 的精度和低至20微米的定位可再现性。考虑到FPU的长 度和模块化设计,这些数据都表明取得了良好的成果。此外,这些单元始终与焦面板适当对齐,而模块也适当 布置在焦面板上的所有适当位置。”

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FPU PROTO © eso.org

部件的高精度和极高可靠性使控制程序操作简单,这 是完美运行光谱仪的另一个要求。复杂的电子元件和控 制逻辑将严重阻碍1001个单元的快速同步控制。由于部件的高质量,通过简单的开环控制可以实现精确对齐。 该技术必须非常健全,几乎不需要维护,以便在计划的 10年系统使用寿命内不间断地执行其任务。项目经理Alasdair Fairley博士表示已经克服了这些技 术问题:“我们在MOONS上取得了良好的进展,预计能 在2021年夏天安装光谱仪。调试大约需要半年的时间,因此我们可能会在2022年初开始绘制宇宙地图。我们相 信,未来十年,FPU将保持全面运行,无需维护。”

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Full instrument © eso.org

FAULHABER

Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG 是当今微型和微驱动技术领域内全球领先的一站式供应商。该公司专业开发和制造高品质标准产品,同时为需要高精度和高可靠性的应用领域提供复杂的定制方案。FAULHABER集团在全球范围内拥有1700多名员工。www.faulhaber.com(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (11/14/2019)
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