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| 圖①：工作人員對FAST的饋源艙進行施工。圖②：FAST綜合控制大樓。圖③：平塘天文體驗館內(nèi)的太陽系模型。圖④：工作人員在FAST控制中心內(nèi)工作。 |
“天眼”當驚世界殊
9月25日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施500米口徑球面射電望遠鏡在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣落成啟用。中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平在賀信中說：“它的落成啟用，對我國在科學前沿實現(xiàn)重大原創(chuàng)突破、加快創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展具有重要意義。”記者第一時間深入現(xiàn)場，零距離揭開這項世界級工程的神秘面紗——
“欲窮千里目，更上一層樓�！边@是出自唐代王之渙《登鸛雀樓》中的詩句。隨著“中國天眼”正式落成啟用，“千里目”一詞被賦予了新的時代意蘊。
清晨時分，從貴州省惠水縣驅(qū)車向南，沿銀百高速轉(zhuǎn)縣道再穿過一段狹窄山口，“長”在平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼“坑”里的“中國天眼”——世界上最大的500米口徑球面射電望遠鏡（英文簡稱：FAST）便赫然出現(xiàn)在眼前。
大窩凼里筑“天眼”
天坑，這種鬼斧神工的自然奇觀，在黔南比比皆是�！氨M管‘長’在天坑里的‘中國天眼’‘身段’很低，它扎根在一片喀斯特洼地中，但‘目光’很遠，射向百億光年外的宇宙太空�！敝袊茖W院國家天文臺FAST工程辦公室主任張蜀新告訴記者，“FAST工程項目2007年正式立項，2011年開工建設(shè)，承載著中國射電天文領(lǐng)跑世界的光榮與夢想�！�
踏著蜿蜒的棧道登上FAST觀景臺，旋轉(zhuǎn)式上升的懸空挑臺與500米口徑球面射電望遠鏡相呼應(yīng)。放眼望去，大窩凼里FAST的壯觀景象盡收眼底——總面積達25萬平方米的反射面看起來像一口超級“大鍋”，網(wǎng)格爬滿了“鍋”底，向上延伸“咬住”環(huán)梁，反射面面板一圈一圈鋪滿索網(wǎng)的空隙，構(gòu)成一只仰望蒼穹的“巨眼”。
來到FAST工程現(xiàn)場，記者用腳步去丈量FAST的“眼界”——“鍋蓋”上總長度約1.6公里的圈梁有如一道環(huán)形大橋，將上萬根鋼索牢牢固定住，而形似宇宙飛船的饋源艙則由6根拉索連接6個饋源支撐塔懸吊于反射面面板之上。走在足夠兩人并排同行的鋼橋上，腳下是雞蛋粗細橡膠表面的索繩，一種強烈的震撼感和自豪感油然而生。
“‘中國天眼’為何會選址大窩凼？”記者將這個腦海里突然冒出的問題拋給了FAST工程臺址與觀測基地系統(tǒng)總工程師朱博勤，從1994年FAST的選址開始，他見證了“中國天眼”建設(shè)的全部過程。
“新一代大射電望遠鏡的工程名稱經(jīng)歷了LT、KARST、FAST/SKA、FAST幾個階段，每個階段都有不同的臺址要求，在技術(shù)要求和對臺址的要求也愈發(fā)清晰的同時，對洼地的尺度和形態(tài)要求也更具體了。”朱博勤說，在對24個洼地的地形高程數(shù)字化、地形典型剖面分析和開挖土方量擬合等具體工作的基礎(chǔ)上，對大窩凼、打多、尚家沖還開發(fā)了FAST工程土方量開挖擬合地理信息系統(tǒng)，在確定球半徑、開口半徑、球冠底部高程、球中心的平面坐標后即可計算需開挖的土方量。最終的結(jié)論，大窩凼是建設(shè)500米口徑球面射電望遠鏡最好的場址。
“變形大鍋”隨天動
古羅馬的西塞羅曾有句名言：“如果一個人能對著天上的事物沉思，那么在他面對人間時就會更加高尚。”今天，“中國天眼”的落成啟用，見證了中國科技人員默默奮斗，化篤實守正之志為仰望蒼穹之功。
讓我們把目光再次聚焦到這500米口徑的“鍋”，的確是口名副其實的“變形大鍋”�！拔覀兊淖畛踉O(shè)計理念源自美國阿雷西博望遠鏡。但跟阿雷西博相比，主動反射面系統(tǒng)是我們的創(chuàng)新之一�！眹姨煳呐_FAST工程總工藝師王啟明說，F(xiàn)AST工程的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以隨著天體的移動變化，帶動索網(wǎng)上的4450個反射單元，在射電源方向形成300米口徑瞬時拋物面，從而極大地提升了觀測效率。而主動反射面讓“中國天眼”擁有更廣的觀測范圍，能覆蓋40度的天頂角。
記者注意到，每塊反射面面板上都有像篩子一樣的密孔。據(jù)國家天文臺工程師翟學兵介紹，這樣的創(chuàng)新設(shè)計，一是為了減少風負載，二是提高透光率，讓天線面下能長草，避免水土流失。
在反射面面板上面，還有不少黑色的物體。已在FAST工程工作7年的國家天文臺副研究員錢磊說，這些類似液壓泵狀的物體叫促動器，促動器最大可以伸縮1米。也就是說，根據(jù)觀測需要，促動器可以將“大鍋”左右前后移動。
其實，“中國天眼”的建造工藝也是精益求精，由此也推動了多領(lǐng)域裝備制造能力的提升：
——主動反射面的索網(wǎng)具備高彈性、抗拉伸、抗疲勞特征，其500兆帕的超高應(yīng)力幅，是國家標準的2.5倍；
——幫助反射面變位的2000多個液壓促動器通過伸縮實現(xiàn)精確定位、協(xié)同運動，還可將自身各項狀態(tài)信息上報給控制系統(tǒng)，滿足適時跟蹤、換源等運動要求；
——提出大射電望遠鏡饋源支撐的光機電一體化創(chuàng)新設(shè)計，將饋源支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自重降至30噸，既降低造價，又提高穩(wěn)定性……
來到“大鍋”底部。只見在大“鍋蓋”的中間，有一個12邊形的物體，被6根大跨度柔索牽引懸在高空中。
“它的名字叫饋源艙，里面裝置有饋源，也叫做超寬帶接收機，是FAST接收和回傳信號的最核心部件，整個射電望遠鏡的反射面所接收到的全部宇宙信號，都靠它來收集�！盕AST工程測控系統(tǒng)總工程師朱麗春說。
其實，F(xiàn)AST也并非“百毒不侵”。它的觀測原理是通過反射面來接收宇宙中由天體物質(zhì)的能量所發(fā)射出來的電磁波，從而進行分析。FAST的靈敏度非常高，極易受到電磁干擾，因此，需要保護臺址周邊寧靜的電波環(huán)境。所以，F(xiàn)AST項目正式落成啟用后，其方圓5公里將被劃為“靜默區(qū)”。這意味著，可以發(fā)射無線電信號的電子設(shè)備都將被禁止使用，工作人員要與外界聯(lián)系，只能使用座機。
朱博勤說，在觀景臺游客集散中心和觀景臺上，均設(shè)有電話亭，游客們可以在固定電話上進行通話。
多少奧妙等待“天眼”解答
其實，不管是科學領(lǐng)域里的研究實踐，還是科幻小說中的異想天開，在探索未知宇宙的道路上，人類一刻也沒有停下前行的腳步。
打開宇宙奧秘的工具便是望遠鏡。從最原始的目視觀測到現(xiàn)在巨大的光學天文望遠鏡和射電天線陣，經(jīng)歷了上千年的演進變遷�！叭绻腥嗽谠虑蛏洗蚴謾C，我們也是可以聽到的。”張蜀新形象地比喻FAST的靈敏度。從理論上來看，F(xiàn)AST能接收到137億光年以外的電磁信號，這個距離接近于宇宙的邊緣。
“跟其他射電望遠鏡一樣，‘中國天眼’最主要的兩大科學目標是巡視宇宙中的中性氫和觀測脈沖星。前者是研究宇宙大尺度物理學，以探索宇宙起源和演化，后者是研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律�！眹姨煳呐_副臺長、FAST工程常務(wù)副經(jīng)理鄭曉年說。
“針對老百姓普遍關(guān)心的‘中國天眼’能否用于尋找地外文明，答案是肯定的�！蓖鯁⒚鞅硎�，它是探測系外行星尤其是類地行星的利器。由于靈敏度提高，它能看到更遠、更暗弱的天體，通過探測星際分子、搜索可能的星際通訊信號，尋找地外文明的幾率比現(xiàn)有設(shè)備提升了5至10倍。
“繼今年7月3日饋源艙升艙和反射面板按計劃完成安裝后，F(xiàn)AST工程已經(jīng)進行了2個多月的系統(tǒng)調(diào)試，并于9月25日正式落成使用。但要實現(xiàn)所有功能參數(shù)最優(yōu)化，它還要在將來3到5年的試觀測中不斷調(diào)試完善�！闭劦紽AST的發(fā)展前景時，張蜀新這樣告訴記者。
“‘中國天眼’將成為中國天文學研究的‘利器’�！编崟阅晷判臐M滿地說。
三問“中國天眼”
被譽為“中國天眼”的射電望遠鏡在設(shè)計建造上有何創(chuàng)新？在傾聽宇宙深處聲音、探索宇宙奧秘方面將發(fā)揮什么作用？請看中國電子科技集團（望遠鏡核心部件研制建造方）的專家為你解讀。
一問：射電望遠鏡是不是口徑越大越好？
“500米口徑球面射電望遠鏡，可不是肉眼觀測的普通望遠鏡，是世界最頂尖級的太空望遠鏡�！敝袊娍蒲芯繂T級高級工程師王楓介紹，面板和饋源是決定FAST探測威力和探測精度的核心要素。
射電望遠鏡，跟接收衛(wèi)星信號的天線鍋類似，通過鍋的反射聚焦，把幾平方米到幾千平方米的信號聚攏到一點上�！坝眠^‘鍋蓋天線’的人知道，鍋蓋口徑越大，電視畫面也越清晰。對于射電望遠鏡來說，口徑越大看得越遠。全世界的射電天文學家都追求建造更大口徑的‘鍋蓋’，以提高射電望遠鏡靈敏度。” 王楓說，簡而言之，就是“鍋”越大，“閱讀”到宇宙深處的信息就越多。
其實，建造500米口徑球面射電望遠鏡在國際上沒有先例，很多技術(shù)需要依靠自主創(chuàng)新。比如，望遠鏡饋源支撐的光機電一體化創(chuàng)新設(shè)計，將饋源支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自重降至30噸，既降低了造價，又提高了穩(wěn)定性。中國電科面板單元技術(shù)負責人鄭元鵬告訴記者，4450個反射面每一個都可以進行對焦，靈敏度可達美國阿雷西博射電望遠鏡的2倍，巡天速度是它的10倍。與號稱“地面最大的機器”的德國波恩100米望遠鏡相比，靈敏度提高約10倍。FAST將成為世界最大單口徑射電天文望遠鏡。
二問：射電望遠鏡在設(shè)計建造上有何創(chuàng)新？
FAST有多大？反射面總面積25萬平方米，相當于30個標準足球場那么大；FAST有多重？僅圈梁、索網(wǎng)和6座支撐饋源艙的高塔就用掉10000多噸鋼材，反射面面板用掉2000多噸鋁合金；FAST有多巧？2000多個液壓促動器通過伸縮，實現(xiàn)反射面精確變位。
“FAST的設(shè)計目標，是能夠把近30個足球場這么大的接收面積里收集的信號，聚集在藥片大小的空間里�！编嵲i說，不如此，就無法監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號，“藥片”就是饋源，因此500米口徑的結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)毫米級精度。
FAST的設(shè)計建造，體現(xiàn)了中國人領(lǐng)先于世界的工程及設(shè)計能力。FAST的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以隨著天體的移動自動變化，帶動索網(wǎng)上活動的4450個反射面面板產(chǎn)生變化，足以觀測到任意方向的天體，同時，饋源艙也隨索網(wǎng)一同運動，采集反饋信息。
柔性鉚接工裝也是創(chuàng)新的典型代表。鄭元鵬說，面板子單元每天的生產(chǎn)涉及鉚接工裝為140種，如果按照原始數(shù)據(jù)進行工裝設(shè)計，一方面增加了成本，另一方面會降低生產(chǎn)效率。生產(chǎn)中我們根據(jù)最大包容原則設(shè)計了通用工裝，經(jīng)過柔性調(diào)整可適用于所有類型的面板鉚接。
三問：在探索宇宙奧秘方面將發(fā)揮什么作用？
“如果把FAST看作一個‘天眼’，那饋源艙就相當于這個‘眼睛’的‘瞳孔’，它起到聚焦的作用，讓我們能看得更清楚�！敝袊娍起佋磁搯卧夹g(shù)負責人李建軍介紹， FAST絕不是金屬堆砌的“傻大粗”，它是最精密的天文儀器。由于采用光機電一體化的饋源平臺，加之饋源艙內(nèi)的并聯(lián)機器人二次調(diào)整，它在饋源與反射面之間無剛性連接的情況下，可實現(xiàn)毫米級指向跟蹤，確保精確地聚集和監(jiān)聽宇宙中微弱的射電信號。
半個多世紀以來，全世界所有射電望遠鏡收集的能量尚翻不動一頁紙，而FAST的加盟將大大加快這一速度。而收集的能量，意味著解讀宇宙深處奧秘的信息量。
中國電科總經(jīng)理樊友山說，F(xiàn)AST研究涉及眾多高科技領(lǐng)域，如天線制造、高精度定位與測量、高品質(zhì)無線電接收機、傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理等。未來，F(xiàn)AST關(guān)鍵技術(shù)成果還可應(yīng)用于諸多相關(guān)領(lǐng)域，如大尺度結(jié)構(gòu)工程、公里范圍高精度動態(tài)測量、大型工業(yè)機器人研制以及多波束雷達裝置等。
