中国“天眼”还须调试两个月预计9月底投入使用

2016年07月04日 03:06　来源：北京青年报

7月3日，工作人员在吊装FAST最后一块反射面板供图/视觉中国

2015年11月26日，技术人员正在安装反射面板

2014年4月12日，工程技术人员在进行FAST馈源舱基座的施工

　　位于贵州黔南州平塘县大窝凼的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST)的最后一块反射面单元3日成功吊装，这标志着FAST主体工程顺利完工。这只“观天巨眼”预计于今年9月全部竣工，开始探索宇宙深处的奥秘。据介绍，FAST突破了射电望远镜的百米极限，它拥有30个足球场大的接收面积，与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比，灵敏度提高约10倍。它将在未来10至20年保持世界一流设备的地位。

　　揭秘

　　“超级天眼”既是中国制造更是中国创造

　　3日在贵州平塘架设完成的500米口径球面射电望远镜，犹如一只瞄向外太空的 “超级天眼”。数千科学家、工程师和建设者们深扎山谷，用近两千个日日夜夜精雕“眼窝”、勾勒“眼底”、密布“神经”、点睛“眼珠”，靠智慧头脑和精湛技艺雕琢出深邃“天眼”。

　　“巧夺天工”书写中国创造

　　“在这里，再高的吊车也望尘莫及、再长的臂手也鞭长莫及！”回顾建设历程，国家天文台500米口径球面射电望远镜工程总工艺师王启明对记者说，射电望远镜的建设施工量比不上机场或高铁站，但极其特殊的地形条件却带来巨大的施工难度，高度、跨度、坡度、斜度让常规机械设备在这里显得无能为力、一筹莫展。

　　如何在直径500米、落差150米的喀斯特洼地里建设一个既稳定又灵敏的超级“天眼”，科学家和工程师们费足了脑筋，不断探索，最终“索网”结构胜出，它既能稳定支撑，又能让“天眼”工作时跟随天体转动，跟踪扫描射电源。

　　中国大射电望远镜的索网是目前世界上跨度最大、精度最高的索网结构，也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系。王启明说，反射面单元面板将固定在上万根钢索上，安装完成后整个反射面其实是悬在半空中的，螺旋状公路一直通达“凼”底，供车辆和人员维护设备时通行。走入望远镜底部，索网犹如一个由钢索织就的巨大“网兜”，紧紧支撑和保护着反射面板。

　　精益求精追逐“毫厘标准”

　　中国大射电望远镜的目标，是把覆盖30个足球场的信号，聚集在药片大小的空间里，如不如此，就无法监听到宇宙中微弱的射电信号。庞然大物却要实现毫米级精度，挑战前所未有。

　　“这里不仅有施工监理，还有专门的材料监造，就是确保每一个用材都能毫厘不差。”王启明说，十几米长的索，误差不准超过1毫米，生产流程必须用恒温装置，确保所有材料是在20摄氏度温度场生产的。

　　公里尺度的钢索支撑体系，位姿精度却在毫米级。大连华锐重工集团高级工程师武荣阳说，观测天体时因为地球有自传，需要补偿地球自转。馈源舱直径13米，位姿精度误差不能超过48毫米，角度不超过1度。

　　“六根索拉着馈源舱移动，48毫米的位姿精度仍不能确保望远镜指向精准。”中国电子科技集团第五十四研究所高级工程师郑元鹏说，馈源舱内安装了并联机器人用于二级调整，最终调整定位精度为10毫米。

　　要能灵敏观测浩瀚星空，拼装面板子单元边界的精准定位是首要问题。科研人员为此专门设计的定位夹具，它能对每块面板的水平位置以及轴向高度进行精准定位，每个等边三角形交点孔位精度保持在0.1毫米至0.15毫米。

　　“千锤百炼”遴选完美方案

　　没有经验可借鉴，望远镜建设中遇到一道又一道关卡，但是，工程研究人员却经历了无数次失败，失败了重来，再失败再重来，每一道关卡都要经过千锤百炼的反复试验。

　　“90后”年轻的反射面吊装技术指导张晓佳来自武船重工集团，他说，4450块反射面板分为30层，虽然形状都是看似一样的三角形，但角度、大小却千差万别。大跨度缆索吊装，吊具要经过反复设计、比对和试验，才能确保严丝合缝。

　　宇宙空间混杂各种辐射，遥远的信号就像雷声中的蝉鸣，没有超级灵敏的耳朵就分辨不出来。武荣阳说，为了确保望远镜不受到任何磁场的干扰，仅对施工设备的电磁防护就花了半年多时间做试验，从塔底到塔顶做了四五套方案。“头发丝粗的缝隙，都有可能让干扰信号跑出去”，反复试验是为了确保万无一失。

　　“从技术到材料，基本上都是国产化，既是中国制造，更是中国创造。”王启明说，中国大射电望远镜创造了很多奇迹，更体现了我国自主创新能力，推动我国在天线制造技术、微波电子技术、并联机器人、大跨度结构、公里范围高精度动态测量等众多高科技领域的发展。据新华社供图/新华

　　释疑

　　寻找地外文明的几率提升5至10倍

　　为什么在贵州山区建“天眼”？

　　1993年国际无线电联大会上，包括中国在内的10国天文学家提出建造新一代射电“大望远镜”的倡议，渴望在电波环境彻底毁坏前，回溯原初宇宙，解答天文学中的众多难题。

　　1995年底，北京天文台联合国内20余所大学和研究所，成立了射电“大望远镜”中国推进委员会，提出了利用贵州喀斯特洼地建造球反射面，即“阿雷西博型天线阵”的喀斯特工程概念。

　　此后，中国科学家们进一步推进喀斯特概念，提出独立研制一台新型的喀斯特单元，即500米口径球面射电望远镜。

　　为了给新一代射电“大望远镜”安家，科学家们通过卫星遥感把贵州喀斯特山区翻了个遍。中国科学院国家天文台研究员、500米口径球面射电望远镜工程副经理彭勃回忆说，当时天文台委托两家院所进行独立搜寻，从300多个候选洼坑中遴选。结果，位于黔南州平塘县的大窝凼两次都获最高分。

　　中国“天眼”优势在哪儿？

　　无论是置身大射电望远镜边上，爬上附近山顶的观景台，还是通过虚拟现实视频，你都能直观感受它的第一特点——大。科学家们形容它是一座“观天巨眼”。

　　中国科学院国家天文台500米口径球面射电望远镜工程总工艺师王启明说，仅圈梁、索网和支撑馈源舱的6座高塔就用掉1万多吨钢材。

　　但大射电望远镜绝不是金属堆砌的“傻大粗”，它是最精密的天文仪器。由于采用光机电一体化的馈源平台，加之馈源舱内的并联机器人二次调整，它在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下，可实现毫米级指向跟踪，确保精确地聚集和监听宇宙中微弱的射电信号。

　　“我们的最初设计理念源自美国阿雷西博望远镜。但跟阿雷西博相比，主动反射面系统是我们最大的创新。”彭勃说，大射电望远镜的索网结构可以随着天体的移动变化，带动索网上的4450个反射单元，在射电电源方向形成300米口径瞬时抛物面，极大提升观测效率。

　　阿雷西博望远镜是固定望远镜，只能通过改变天线溃源的位置扫描天空中的一个约20度的带状区域。而主动反射面让中国大射电望远镜拥有更广的观测范围，能覆盖40度的天顶角。

　　能否找到地外文明？

　　“跟其他射电望远镜一样，中国大射电望远镜最主要的两大科学目标是巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星，前者是研究宇宙大尺度物理学，以探索宇宙起源和演化，后者是研究极端状态下的物质结构与物理规律。”中国科学院国家天文台副台长郑晓年说。

　　半个多世纪以来，全世界所有射电望远镜收集的能量尚翻不动一页纸，中国大射电望远镜的加盟将大大加快这一速度。而收集的能量，意味着解读宇宙深处奥秘的信息量。“从射电望远镜诞生至今，人类共发现了约2500颗脉冲星，如果中国大射电望远镜的工作时间全部用于观测脉冲星，它一年时间内就有望将这个数量翻倍。”彭勃说，脉冲星可以用于脉冲星导航、脉冲星计时阵等应用目标。

　　彭勃说，科学家利用阿雷西博望远镜发现引力波，并获得诺贝尔物理学奖，中国大射电望远镜则为自然科学特别是物理学相关领域提供了重大发现的机会。

　　“针对大众十分关心的大射电望远镜能否用于寻找地外文明，答案是肯定的。”彭勃表示，它是探测系外行星尤其是类地行星的利器。由于灵敏度提高，它能看到更远、更暗弱的天体，通过探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号，寻找地外文明的几率比现有设备提升了5至10倍。

　　在7月3日馈源舱升舱和反射面板按计划完成安装后，大射电望远镜将进行2个多月的系统调试，于9月底正式竣工投入使用。但要实现所有功能参数最优化，它还要在两三年的观测中不断调试完善。

　　“大射电望远镜建成后将成为中国天文学研究的‘利器’，在未来10至20年保持世界一流设备的地位。”郑晓年说，“希望中国科学家尽快利用它出成果。”综合新华社

　　对话

　　刘慈欣：望远镜与小说是两回事

　　去年凭小说《三体》获得雨果奖最佳长篇小说奖的作家刘慈欣昨天出现在“天眼”安装现场，他表示射电望远镜与小说中的红岸基地系统是两回事，他会关注这个项目。

　　北青报：您去现场观看了500米口径球面射电望远镜在贵州喀斯特天坑中架设完成？

　　刘慈欣：嗯，去现场看了看，以后会继续关注这个项目。

　　北青报：射电望远镜是否类似《三体》中红岸基地的系统？

　　刘慈欣：不像，红岸基地的系统是发射信息的，射电望远镜是接收信息的，是两回事。

　　北青报：您认为射电望远镜的发展对于探索地外文明有意义吗？