觀天巨眼FAST：“大鍋”告成

佘惠敏

2015年的7月3日中午，貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼洼地，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST裝上了最后一塊反射面板，世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡就此大鍋告成！

“FAST工程從設(shè)計到技術(shù)，從材料到建造，基本都是國產(chǎn)化，既是中國制造，更是中國創(chuàng)造！”FAST總工藝師、反射面系統(tǒng)總工程師王啟明自豪地說。

這口世界最大的“鍋”是怎么做成的？它凝聚了哪些自主創(chuàng)新的努力？

眼窩：精挑細(xì)選“天坑”搭就

“從1994年啟動貴州選址工作，到現(xiàn)在已經(jīng)22年了。”大鍋告成之際，國家天文臺副臺長、FAST工程常務(wù)副經(jīng)理鄭曉年的感慨中滿是歲月的滄桑，“22年來，我們一直在研究，中間遇到很多困難，不斷克服。”

射電望遠(yuǎn)鏡是用來觀察、接收和分析宇宙中電磁波的天文學(xué)利器，它幫助科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機(jī)分子……諾貝爾獎歷史上基于天文觀測的10項獲獎成果中，有6項都出自射電望遠(yuǎn)鏡。

射電望遠(yuǎn)鏡的基本原理和人們常見的鍋式衛(wèi)星天線差不多，都是用“鍋”的拋物面反射信號，通過“鍋”的反射聚焦，把信號聚攏，以便用饋源“天線”接收信號。“鍋”越大，就越能接收到微弱的電磁波，我們觀測宇宙的“視力”就更好。

在FAST之前，人類最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡是阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡（Arecibo），這個望遠(yuǎn)鏡由美國人建在波多黎各，它順著山坡固定在地表，直徑達(dá)305米。

FAST這口“鍋”更大，接收面積相當(dāng)于30個足球場，直徑達(dá)到500米。

要造如此巨大的“鍋”來觀測宇宙，所遇到的挑戰(zhàn)是空前的，首先從設(shè)計上就要打破常規(guī)。

鄭曉年介紹，中國的FAST望遠(yuǎn)鏡有3項最重要的自主創(chuàng)新，首先就是利用貴州天然的喀斯特洼坑作為FAST臺址。

從1994年開始，國家天文臺專家利用遙感等技術(shù)，在全國范圍內(nèi)海選合適區(qū)域，之后多次現(xiàn)場考察，分析了400多個洼地，制作了90個候選洼地的高分辨率數(shù)字地形模型圖像。

貴州省的大窩凼洼地以絕對優(yōu)勢，從400多個候選者中脫穎而出，成為最終勝利者——

大窩凼的天坑洼地，其地形和尺度與500米望遠(yuǎn)鏡的體態(tài)相匹配，減少了施工工程量；

大窩凼的喀斯特地貌富含裂隙溶洞和地下暗河，這些天然排水通道可以避免雨水積聚災(zāi)害的發(fā)生；

大窩凼5公里半徑之內(nèi)沒有一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，遠(yuǎn)離各類人為電磁污染，幫助FAST排除觀測干擾；

大窩凼所在的貴州黔南地區(qū)冬暖夏涼，氣溫長年在20攝氏度左右，大型反射面金屬材料的熱脹冷縮問題小，F(xiàn)AST既不需“冬眠”，也不怕“中暑”；

大窩凼風(fēng)速小、風(fēng)向少變，由6根數(shù)百米長的柔性懸索吊掛在百米高空的饋源艙，可以做一個安靜的美男子，不怕被大風(fēng)吹成秋千；

大窩凼所在的貴州不是地震多發(fā)地帶，F(xiàn)AST這樣的大型精密工程可以穩(wěn)定地長時間運營。

如果說FAST是一枚觀天巨眼，那大窩凼這個精挑細(xì)選的天坑無疑就是一只天造地設(shè)的眼窩。以整座山窩作為臺址，是一項道法自然的創(chuàng)舉，讓現(xiàn)代科技的精密與大自然的偉岸相輔相成。眼球：里級跨度毫米級精度

FAST的第二個重大創(chuàng)新，是在“天坑”內(nèi)鋪設(shè)數(shù)千塊單元，組成500米球冠狀主動反射面。

“美國人的Arecibo是固定望遠(yuǎn)鏡，不能轉(zhuǎn)動，只能通過改變天線饋源的位置掃描天空中的一個帶狀區(qū)域?！编崟阅暾f，F(xiàn)AST的主動反射面能按跟蹤要求精確變位，“跟美國比起來，我們的效率更高，精度更高?！?/p>

這是—個巨大挑戰(zhàn)。

FAST超級大，反射面總面積25萬平方米。它還超級重，圈梁、索網(wǎng)和6座支撐饋源艙的高塔用掉1萬多噸鋼材，反射面板用掉2千多噸鋁合金。

但同時它又要求超級精微的控制。密布在反射面背后、與大地相連的2千多個液壓促動器，通過鋼索伸縮實現(xiàn)反射面精確變位，誤差不超過1毫米。

這樣充滿挑戰(zhàn)且沒有先例的全新工程，是我國科學(xué)家、工程師和技術(shù)工人聯(lián)合造就，蘊(yùn)含著無數(shù)自主創(chuàng)新的智慧閃光。

十幾年的預(yù)研后，F(xiàn)AST于2007年7月正式立項，成為國家重大科學(xué)工程，由中國科學(xué)院國家天文臺承擔(dān)建設(shè)任務(wù)。2011年3月正式開工建設(shè)。

國家天文臺研究員、FAST總工藝師王啟明說：“自開工算起，建設(shè)周期只有5年半，工期不能超，但現(xiàn)場施工條件非常局促，很多人都擔(dān)心完不成?！?/p>

FAST怎么搭建？國家天文臺提出“索網(wǎng)”方案，像編一張漁網(wǎng)一樣來造這口鍋。當(dāng)年曾有多個研究單位參與具體設(shè)計，最終被采納的，是哈爾濱工業(yè)大學(xué)專家提出的“短程線”分型方案。

在土建工作完成后，首先搭建圈梁。圈梁是大鍋的支架，繞大鍋一周，被50根6米到50米高低不等的鋼柱支在半空，周長1.6公里，繞走一圈要40分鐘。

接下來搭建索網(wǎng)。7000根主索的索網(wǎng)外緣連接在圈梁上，2300根下拉索與促動器和地錨連接，靠促動器拉動索網(wǎng)實現(xiàn)拋物面變形。

常用的斜拉橋上的鋼索，安裝強(qiáng)度是200兆帕、200萬次彎曲，但FAST的鋼索設(shè)計要求是安裝強(qiáng)度500兆帕、200萬彎曲次數(shù)。工程研究人員因此經(jīng)歷了無數(shù)失敗。試驗到350兆帕的時候，僅彎曲6萬次就失敗了。做一次200萬次的彎曲試驗，就需要10天。承建單位柳州歐維姆機(jī)械最終研發(fā)出符合要求的新鋼索時，申請了12項專利。新鋼索如果用回到斜拉橋上，將大大提高橋梁的質(zhì)量和壽命。

索網(wǎng)織好后，再鋪設(shè)反射面面板。

武船集團(tuán)承擔(dān)了FAST的4450塊反射面單元的吊裝任務(wù)。反射面單元是邊長10至12米的三角形鋁合金網(wǎng)架，每塊重四五百公斤，要在總面積25萬平方米、縱深僅50米的空間范圍內(nèi)——準(zhǔn)確安放，間距65毫米，吊裝時不能變形，每天要安裝20塊以上。

武船重裝公司FAST項目總工程師劉君介紹，此前所有常規(guī)吊裝設(shè)備和技術(shù)都無法奏效，武船通過技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)了大跨徑大幅度空間轉(zhuǎn)移技術(shù)、空中二次轉(zhuǎn)接技術(shù)、反射面單元全方位姿態(tài)調(diào)整技術(shù)和柔性吊裝等一系列新技術(shù)，提前—個多月完成了吊裝任務(wù)?！皠傞_始每天只能裝一塊兩塊，到了今年，每天最多裝到了37塊?！?/p>

“FAST薈萃了國內(nèi)最牛的施工單位。比如做圈梁的單位，是做過鳥巢、國家大劇院的；做面板網(wǎng)架的單位，是做過水立方的?！蓖鯁⒚髡f。

瞳孔：輕巧靈活明眸善睞

FAST第三個重大創(chuàng)新，是采用輕型索拖動機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人，實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡信號接收機(jī)也就是饋源艙的高精度定位。

FAST這只巨眼，直徑500米的反射面大鍋是它眼球，饋源就是它的視網(wǎng)膜，而饋源艙就相當(dāng)于瞳孔。要讓FAST更好地跟蹤待測天體，不僅需要反射面“主動”，也需要饋源艙“靈活”。同時，為監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號，F(xiàn)AST需把覆蓋30個足球場的信號聚集在藥片大小的空間里，這又要求饋源艙移動精準(zhǔn)。

但饋源艙包括了電磁波接收、波導(dǎo)轉(zhuǎn)換、信號前置處理和電磁屏蔽罩等多種裝置，十分笨重，如何能在500米空間跨度上精確移動？

中國科學(xué)家們?yōu)榇俗鞒隽俗兏锸降膭?chuàng)新：采用光機(jī)電一體化的創(chuàng)新設(shè)計，使用6根大跨度柔索，牽引饋源艙做高精度三維掃描運動。該設(shè)計將饋源支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自重降至30噸，而美國Arecibo的饋源系統(tǒng)重量高達(dá)1000噸！

輕巧的饋源艙，既降低造價，又提高穩(wěn)定性，可在百米尺度大工作空間內(nèi)實現(xiàn)瞬時焦點，實時達(dá)到毫米級高精度定位，從而實現(xiàn)對天體的高精度指向跟進(jìn)觀測，各項性能指標(biāo)遠(yuǎn)超美國Arecibo。

在FAST饋源支撐系統(tǒng)建設(shè)過程中，有許多技術(shù)方案是首次公開并使用。例如，大連重工參與研制并建造的柔性饋源索驅(qū)動系統(tǒng)開創(chuàng)了國際先例，是目前世界最大的索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)；烽火通信參與研發(fā)出的性能遠(yuǎn)優(yōu)于國標(biāo)軍標(biāo)要求的動光纜，乃世界首創(chuàng)。

FAST的研制和建設(shè)，體現(xiàn)了我國自主創(chuàng)新能力，已經(jīng)推動了我國在天線制造技術(shù)、微波電子技術(shù)、并聯(lián)機(jī)器人、大跨度結(jié)構(gòu)、公里范圍高精度動態(tài)測量等眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展。

未來，它將帶來更多更大的創(chuàng)新成果。

國家天文臺副臺長鄭曉年表示，接下來，F(xiàn)AST還有大量的軟件調(diào)試工作，將邊調(diào)試邊觀測，調(diào)試的過程也是觀測的過程。調(diào)試好后，科學(xué)家們就可以用期待已久的FAST做課題出成果了。

在饋源艙安裝后，全部面板鋪設(shè)完成之前，F(xiàn)AST就已經(jīng)開始接收到了來自宇宙的信號。浪漫的天文臺研究員們將其中兩段1分鐘左右的脈沖星信號，做成小音樂，放在手機(jī)里，時時聆聽。

科學(xué)家們對FAST充滿期待，因為它是強(qiáng)大的觀天利器。與號稱“地面最大的機(jī)器”的德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡相比，F(xiàn)AST靈敏度提高約2.5倍；與排在阿波羅登月之前、被評為人類20世紀(jì)10大工程之首的美國Arecibo望遠(yuǎn)鏡相比，F(xiàn)AST綜合性能提高約10倍。從理論上講，F(xiàn)AST可接收到137億光年以外的電磁信號，這個距離接近宇宙邊緣。

它將被用于觀測脈沖星，脈沖星未來可能成為星際導(dǎo)航，為宇宙飛船指明方向。

它將搜索可能的星際通訊信號，這將有可能讓人類收到來自外星人的消息。

它將巡視宇宙中的中性氫，這將幫助科學(xué)家研究宇宙大尺度物理學(xué)，以探索宇宙起源和演化。

“大鍋”告成，“巨眼”始開。FAST的征程，才剛剛開始。