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| 圖①：工作人員對(duì)FAST的饋源艙進(jìn)行施工。圖②：FAST綜合控制大樓。圖③：平塘天文體驗(yàn)館內(nèi)的太陽(yáng)系模型。圖④：工作人員在FAST控制中心內(nèi)工作。 |
“天眼”當(dāng)驚世界殊
9月25日，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施500米口徑球面射電望遠(yuǎn)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(guó)家主席、中央軍委主席習(xí)近平在賀信中說(shuō)：“它的落成啟用，對(duì)我國(guó)在科學(xué)前沿實(shí)現(xiàn)重大原創(chuàng)突破、加快創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展具有重要意義�！庇浾叩谝粫r(shí)間深入現(xiàn)場(chǎng)，零距離揭開這項(xiàng)世界級(jí)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(shī)句。隨著“中國(guó)天眼”正式落成啟用，“千里目”一詞被賦予了新的時(shí)代意蘊(yùn)。
清晨時(shí)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(guò)一段狹窄山口，“長(zhǎng)”在平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼“坑”里的“中國(guó)天眼”——世界上最大的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（英文簡(jiǎn)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。“盡管‘長(zhǎng)’在天坑里的‘中國(guó)天眼’‘身段’很低，它扎根在一片喀斯特洼地中，但‘目光’很遠(yuǎn)，射向百億光年外的宇宙太空�！敝袊�(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)FAST工程辦公室主任張蜀新告訴記者，“FAST工程項(xiàng)目2007年正式立項(xiàng)，2011年開工建設(shè)，承載著中國(guó)射電天文領(lǐng)跑世界的光榮與夢(mèng)想。”
踏著蜿蜒的棧道登上FAST觀景臺(tái)，旋轉(zhuǎn)式上升的懸空挑臺(tái)與500米口徑球面射電望遠(yuǎn)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(dá)25萬(wàn)平方米的反射面看起來(lái)像一口超級(jí)“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(lái)到FAST工程現(xiàn)場(chǎng)，記者用腳步去丈量FAST的“眼界”——“鍋蓋”上總長(zhǎng)度約1.6公里的圈梁有如一道環(huán)形大橋，將上萬(wàn)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(gè)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(xì)橡膠表面的索繩，一種強(qiáng)烈的震撼感和自豪感油然而生。
“‘中國(guó)天眼’為何會(huì)選址大窩凼？”記者將這個(gè)腦海里突然冒出的問(wèn)題拋給了FAST工程臺(tái)址與觀測(cè)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(guó)天眼”建設(shè)的全部過(guò)程。
“新一代大射電望遠(yuǎn)鏡的工程名稱經(jīng)歷了LT、KARST、FAST/SKA、FAST幾個(gè)階段，每個(gè)階段都有不同的臺(tái)址要求，在技術(shù)要求和對(duì)臺(tái)址的要求也愈發(fā)清晰的同時(shí)，對(duì)洼地的尺度和形態(tài)要求也更具體了�！敝觳┣谡f(shuō)，在對(duì)24個(gè)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(duì)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(biāo)后即可計(jì)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(yuǎn)鏡最好的場(chǎng)址。
“變形大鍋”隨天動(dòng)
古羅馬的西塞羅曾有句名言：“如果一個(gè)人能對(duì)著天上的事物沉思，那么在他面對(duì)人間時(shí)就會(huì)更加高尚。”今天，“中國(guó)天眼”的落成啟用，見證了中國(guó)科技人員默默奮斗，化篤實(shí)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(shí)的“變形大鍋”。“我們的最初設(shè)計(jì)理念源自美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡。但跟阿雷西博相比，主動(dòng)反射面系統(tǒng)是我們的創(chuàng)新之一�！眹�(guó)家天文臺(tái)FAST工程總工藝師王啟明說(shuō)，F(xiàn)AST工程的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以隨著天體的移動(dòng)變化，帶動(dòng)索網(wǎng)上的4450個(gè)反射單元，在射電源方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面，從而極大地提升了觀測(cè)效率。而主動(dòng)反射面讓“中國(guó)天眼”擁有更廣的觀測(cè)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(guó)家天文臺(tái)工程師翟學(xué)兵介紹，這樣的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，一是為了減少風(fēng)負(fù)載，二是提高透光率，讓天線面下能長(zhǎng)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(guó)家天文臺(tái)副研究員錢磊說(shuō)，這些類似液壓泵狀的物體叫促動(dòng)器，促動(dòng)器最大可以伸縮1米。也就是說(shuō)，根據(jù)觀測(cè)需要，促動(dòng)器可以將“大鍋”左右前后移動(dòng)。
其實(shí)，“中國(guó)天眼”的建造工藝也是精益求精，由此也推動(dòng)了多領(lǐng)域裝備制造能力的提升：
——主動(dòng)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的2.5倍；
——幫助反射面變位的2000多個(gè)液壓促動(dòng)器通過(guò)伸縮實(shí)現(xiàn)精確定位、協(xié)同運(yùn)動(dòng)，還可將自身各項(xiàng)狀態(tài)信息上報(bào)給控制系統(tǒng)，滿足適時(shí)跟蹤、換源等運(yùn)動(dòng)要求；
——提出大射電望遠(yuǎn)鏡饋源支撐的光機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將饋源支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自重降至30噸，既降低造價(jià)，又提高穩(wěn)定性……
來(lái)到“大鍋”底部。只見在大“鍋蓋”的中間，有一個(gè)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(jī)，是FAST接收和回傳信號(hào)的最核心部件，整個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡的反射面所接收到的全部宇宙信號(hào)，都靠它來(lái)收集�！盕AST工程測(cè)控系統(tǒng)總工程師朱麗春說(shuō)。
其實(shí)，F(xiàn)AST也并非“百毒不侵”。它的觀測(cè)原理是通過(guò)反射面來(lái)接收宇宙中由天體物質(zhì)的能量所發(fā)射出來(lái)的電磁波，從而進(jìn)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(hù)臺(tái)址周邊寧?kù)o的電波環(huán)境。所以，F(xiàn)AST項(xiàng)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(wú)線電信號(hào)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(jī)。
朱博勤說(shuō)，在觀景臺(tái)游客集散中心和觀景臺(tái)上，均設(shè)有電話亭，游客們可以在固定電話上進(jìn)行通話。
多少奧妙等待“天眼”解答
其實(shí)，不管是科學(xué)領(lǐng)域里的研究實(shí)踐，還是科幻小說(shuō)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(yuǎn)鏡。從最原始的目視觀測(cè)到現(xiàn)在巨大的光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡和射電天線陣，經(jīng)歷了上千年的演進(jìn)變遷�！叭绻腥嗽谠虑蛏洗蚴謾C(jī)，我們也是可以聽到的�！睆埵裥滦蜗蟮乇扔鱂AST的靈敏度。從理論上來(lái)看，F(xiàn)AST能接收到137億光年以外的電磁信號(hào)，這個(gè)距離接近于宇宙的邊緣。
“跟其他射電望遠(yuǎn)鏡一樣，‘中國(guó)天眼’最主要的兩大科學(xué)目標(biāo)是巡視宇宙中的中性氫和觀測(cè)脈沖星。前者是研究宇宙大尺度物理學(xué)，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�(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)、FAST工程常務(wù)副經(jīng)理鄭曉年說(shuō)。
“針對(duì)老百姓普遍關(guān)心的‘中國(guó)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(cè)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(yuǎn)、更暗弱的天體，通過(guò)探測(cè)星際分子、搜索可能的星際通訊信號(hào)，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(jì)劃完成安裝后，F(xiàn)AST工程已經(jīng)進(jìn)行了2個(gè)多月的系統(tǒng)調(diào)試，并于9月25日正式落成使用。但要實(shí)現(xiàn)所有功能參數(shù)最優(yōu)化，它還要在將來(lái)3到5年的試觀測(cè)中不斷調(diào)試完善�！闭劦紽AST的發(fā)展前景時(shí)，張蜀新這樣告訴記者。
“‘中國(guó)天眼’將成為中國(guó)天文學(xué)研究的‘利器’�！编崟阅晷判臐M滿地說(shuō)。
三問(wèn)“中國(guó)天眼”
被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的射電望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計(jì)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(qǐng)看中國(guó)電子科技集團(tuán)（望遠(yuǎn)鏡核心部件研制建造方）的專家為你解讀。
一問(wèn)：射電望遠(yuǎn)鏡是不是口徑越大越好？
“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，可不是肉眼觀測(cè)的普通望遠(yuǎn)鏡，是世界最頂尖級(jí)的太空望遠(yuǎn)鏡�！敝袊�(guó)電科研究員級(jí)高級(jí)工程師王楓介紹，面板和饋源是決定FAST探測(cè)威力和探測(cè)精度的核心要素。
射電望遠(yuǎn)鏡，跟接收衛(wèi)星信號(hào)的天線鍋類似，通過(guò)鍋的反射聚焦，把幾平方米到幾千平方米的信號(hào)聚攏到一點(diǎn)上。“用過(guò)‘鍋蓋天線’的人知道，鍋蓋口徑越大，電視畫面也越清晰。對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，口徑越大看得越遠(yuǎn)。全世界的射電天文學(xué)家都追求建造更大口徑的‘鍋蓋’，以提高射電望遠(yuǎn)鏡靈敏度。” 王楓說(shuō)，簡(jiǎn)而言之，就是“鍋”越大，“閱讀”到宇宙深處的信息就越多。
其實(shí)，建造500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡在國(guó)際上沒有先例，很多技術(shù)需要依靠自主創(chuàng)新。比如，望遠(yuǎn)鏡饋源支撐的光機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將饋源支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自重降至30噸，既降低了造價(jià)，又提高了穩(wěn)定性。中國(guó)電科面板單元技術(shù)負(fù)責(zé)人鄭元鵬告訴記者，4450個(gè)反射面每一個(gè)都可以進(jìn)行對(duì)焦，靈敏度可達(dá)美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的2倍，巡天速度是它的10倍。與號(hào)稱“地面最大的機(jī)器”的德國(guó)波恩100米望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡。
二問(wèn)：射電望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計(jì)建造上有何創(chuàng)新？
FAST有多大？反射面總面積25萬(wàn)平方米，相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)那么大；FAST有多重？?jī)H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(gè)液壓促動(dòng)器通過(guò)伸縮，實(shí)現(xiàn)反射面精確變位。
“FAST的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是能夠把近30個(gè)足球場(chǎng)這么大的接收面積里收集的信號(hào)，聚集在藥片大小的空間里�！编嵲i說(shuō)，不如此，就無(wú)法監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號(hào)，“藥片”就是饋源，因此500米口徑的結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度。
FAST的設(shè)計(jì)建造，體現(xiàn)了中國(guó)人領(lǐng)先于世界的工程及設(shè)計(jì)能力。FAST的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以隨著天體的移動(dòng)自動(dòng)變化，帶動(dòng)索網(wǎng)上活動(dòng)的4450個(gè)反射面面板產(chǎn)生變化，足以觀測(cè)到任意方向的天體，同時(shí)，饋源艙也隨索網(wǎng)一同運(yùn)動(dòng)，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(shuō)，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(jìn)行工裝設(shè)計(jì)，一方面增加了成本，另一方面會(huì)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(jì)了通用工裝，經(jīng)過(guò)柔性調(diào)整可適用于所有類型的面板鉚接。
三問(wèn)：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(gè)‘天眼’，那饋源艙就相當(dāng)于這個(gè)‘眼睛’的‘瞳孔’，它起到聚焦的作用，讓我們能看得更清楚�！敝袊�(guó)電科饋源艙單元技術(shù)負(fù)責(zé)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(jī)電一體化的饋源平臺(tái)，加之饋源艙內(nèi)的并聯(lián)機(jī)器人二次調(diào)整，它在饋源與反射面之間無(wú)剛性連接的情況下，可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)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(hào)。
半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，全世界所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量尚翻不動(dòng)一頁(yè)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(guó)電科總經(jīng)理樊友山說(shuō)，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(cè)量、高品質(zhì)無(wú)線電接收機(jī)、傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理等。未來(lái)，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(dòng)態(tài)測(cè)量、大型工業(yè)機(jī)器人研制以及多波束雷達(dá)裝置等。
