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          中國(guó)“天眼”還要調(diào)試兩個(gè)多月 預(yù)計(jì)9月投用

          2016年07月04日06:39  來源:北京青年報(bào)

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          2014年4月12日,工程技術(shù)人員在進(jìn)行FAST饋源艙基座的施工

            2014年4月12日,工程技術(shù)人員在進(jìn)行FAST饋源艙基座的施工

            位于貴州黔南州平塘縣大窩凼的世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)的最后一塊反射面單元3日成功吊裝,這標(biāo)志著FAST主體工程順利完工。這只“觀天巨眼”預(yù)計(jì)于今年9月全部竣工,開始探索宇宙深處的奧秘。據(jù)介紹,F(xiàn)AST突破了射電望遠(yuǎn)鏡的百米極限,它擁有30個(gè)足球場(chǎng)大的接收面積,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。它將在未來10至20年保持世界一流設(shè)備的地位。

            揭秘“超級(jí)天眼”既是中國(guó)制造 更是中國(guó)創(chuàng)造

            3日在貴州平塘架設(shè)完成的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡,猶如一只瞄向外太空的 “超級(jí)天眼”。數(shù)千科學(xué)家、工程師和建設(shè)者們深扎山谷,用近兩千個(gè)日日夜夜精雕“眼窩”、勾勒“眼底”、密布“神經(jīng)”、點(diǎn)睛“眼珠”,靠智慧頭腦和精湛技藝雕琢出深邃“天眼”。

            “巧奪天工”書寫中國(guó)創(chuàng)造“在這里,再高的吊車也望塵莫及、再長(zhǎng)的臂手也鞭長(zhǎng)莫及!”回顧建設(shè)歷程,國(guó)家天文臺(tái)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程總工藝師王啟明對(duì)記者說,射電望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)施工量比不上機(jī)場(chǎng)或高鐵站,但極其特殊的地形條件卻帶來巨大的施工難度,高度、跨度、坡度、斜度讓常規(guī)機(jī)械設(shè)備在這里顯得無(wú)能為力、一籌莫展。

            如何在直徑500米、落差150米的喀斯特洼地里建設(shè)一個(gè)既穩(wěn)定又靈敏的超級(jí)“天眼”,科學(xué)家和工程師們費(fèi)足了腦筋,不斷探索,最終“索網(wǎng)”結(jié)構(gòu)勝出,它既能穩(wěn)定支撐,又能讓“天眼”工作時(shí)跟隨天體轉(zhuǎn)動(dòng),跟蹤掃描射電源。

            中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡的索網(wǎng)是目前世界上跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu),也是世界上第一個(gè)采用變位工作方式的索網(wǎng)體系。王啟明說,反射面單元面板將固定在上萬(wàn)根鋼索上,安裝完成后整個(gè)反射面其實(shí)是懸在半空中的,螺旋狀公路一直通達(dá)“凼”底,供車輛和人員維護(hù)設(shè)備時(shí)通行。走入望遠(yuǎn)鏡底部,索網(wǎng)猶如一個(gè)由鋼索織就的巨大“網(wǎng)兜”,緊緊支撐和保護(hù)著反射面板。

            精益求精追逐“毫厘標(biāo)準(zhǔn)

            中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡的目標(biāo),是把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)的信號(hào),聚集在藥片大小的空間里,如不如此,就無(wú)法監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號(hào)。龐然大物卻要實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度,挑戰(zhàn)前所未有。

            “這里不僅有施工監(jiān)理,還有專門的材料監(jiān)造,就是確保每一個(gè)用材都能毫厘不差。”王啟明說,十幾米長(zhǎng)的索,誤差不準(zhǔn)超過1毫米,生產(chǎn)流程必須用恒溫裝置,確保所有材料是在20攝氏度溫度場(chǎng)生產(chǎn)的。

            公里尺度的鋼索支撐體系,位姿精度卻在毫米級(jí)。大連華銳重工集團(tuán)高級(jí)工程師武榮陽(yáng)說,觀測(cè)天體時(shí)因?yàn)榈厍蛴凶詡鳎枰a(bǔ)償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)。饋源艙直徑13米,位姿精度誤差不能超過48毫米,角度不超過1度。

            “六根索拉著饋源艙移動(dòng),48毫米的位姿精度仍不能確保望遠(yuǎn)鏡指向精準(zhǔn)。”中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十四研究所高級(jí)工程師鄭元鵬說,饋源艙內(nèi)安裝了并聯(lián)機(jī)器人用于二級(jí)調(diào)整,最終調(diào)整定位精度為10毫米。

            要能靈敏觀測(cè)浩瀚星空,拼裝面板子單元邊界的精準(zhǔn)定位是首要問題。科研人員為此專門設(shè)計(jì)的定位夾具,它能對(duì)每塊面板的水平位置以及軸向高度進(jìn)行精準(zhǔn)定位,每個(gè)等邊三角形交點(diǎn)孔位精度保持在0.1毫米至0.15毫米。

            “千錘百煉”遴選完美方案

            沒有經(jīng)驗(yàn)可借鑒,望遠(yuǎn)鏡建設(shè)中遇到一道又一道關(guān)卡,但是,工程研究人員卻經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次失敗,失敗了重來,再失敗再重來,每一道關(guān)卡都要經(jīng)過千錘百煉的反復(fù)試驗(yàn)。

            “90后”年輕的反射面吊裝技術(shù)指導(dǎo)張曉佳來自武船重工集團(tuán),他說,4450塊反射面板分為30層,雖然形狀都是看似一樣的三角形,但角度、大小卻千差萬(wàn)別。大跨度纜索吊裝,吊具要經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)、比對(duì)和試驗(yàn),才能確保嚴(yán)絲合縫。

            宇宙空間混雜各種輻射,遙遠(yuǎn)的信號(hào)就像雷聲中的蟬鳴,沒有超級(jí)靈敏的耳朵就分辨不出來。武榮陽(yáng)說,為了確保望遠(yuǎn)鏡不受到任何磁場(chǎng)的干擾,僅對(duì)施工設(shè)備的電磁防護(hù)就花了半年多時(shí)間做試驗(yàn),從塔底到塔頂做了四五套方案。“頭發(fā)絲粗的縫隙,都有可能讓干擾信號(hào)跑出去”,反復(fù)試驗(yàn)是為了確保萬(wàn)無(wú)一失。

            “從技術(shù)到材料,基本上都是國(guó)產(chǎn)化,既是中國(guó)制造,更是中國(guó)創(chuàng)造。”王啟明說,中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡創(chuàng)造了很多奇跡,更體現(xiàn)了我國(guó)自主創(chuàng)新能力,推動(dòng)我國(guó)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(dòng)態(tài)測(cè)量等眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展。據(jù)新華社 供圖/新華

            釋疑

            尋找地外文明的幾率提升5至10倍

            為什么在貴州山區(qū)建“天眼”?

            1993年國(guó)際無(wú)線電聯(lián)大會(huì)上,包括中國(guó)在內(nèi)的10國(guó)天文學(xué)家提出建造新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”的倡議,渴望在電波環(huán)境徹底毀壞前,回溯原初宇宙,解答天文學(xué)中的眾多難題。

            1995年底,北京天文臺(tái)聯(lián)合國(guó)內(nèi)20余所大學(xué)和研究所,成立了射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國(guó)推進(jìn)委員會(huì),提出了利用貴州喀斯特洼地建造球反射面,即“阿雷西博型天線陣”的喀斯特工程概念。

            此后,中國(guó)科學(xué)家們進(jìn)一步推進(jìn)喀斯特概念,提出獨(dú)立研制一臺(tái)新型的喀斯特單元,即500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。

            為了給新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”安家,科學(xué)家們通過衛(wèi)星遙感把貴州喀斯特山區(qū)翻了個(gè)遍。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程副經(jīng)理彭勃回憶說,當(dāng)時(shí)天文臺(tái)委托兩家院所進(jìn)行獨(dú)立搜尋,從300多個(gè)候選洼坑中遴選。結(jié)果,位于黔南州平塘縣的大窩凼兩次都獲最高分。

            中國(guó)“天眼”優(yōu)勢(shì)在哪兒?

            無(wú)論是置身大射電望遠(yuǎn)鏡邊上,爬上附近山頂?shù)挠^景臺(tái),還是通過虛擬現(xiàn)實(shí)視頻,你都能直觀感受它的第一特點(diǎn)——大。科學(xué)家們形容它是一座“觀天巨眼”。

            中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程總工藝師王啟明說,僅圈梁、索網(wǎng)和支撐饋源艙的6座高塔就用掉1萬(wàn)多噸鋼材。

            但大射電望遠(yuǎn)鏡絕不是金屬堆砌的“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)。

            “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)是我們最大的創(chuàng)新。”彭勃說,大射電望遠(yuǎn)鏡的索網(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,在射電電源方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面,極大提升觀測(cè)效率。

            阿雷西博望遠(yuǎn)鏡是固定望遠(yuǎn)鏡,只能通過改變天線潰源的位置掃描天空中的一個(gè)約20度的帶狀區(qū)域。而主動(dòng)反射面讓中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡擁有更廣的觀測(cè)范圍,能覆蓋40度的天頂角。

            能否找到地外文明?

            “跟其他射電望遠(yuǎn)鏡一樣,中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡最主要的兩大科學(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。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)鄭曉年說。

            半個(gè)多世紀(jì)以來,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,中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡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。“從射電望遠(yuǎn)鏡誕生至今,人類共發(fā)現(xiàn)了約2500顆脈沖星,如果中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡的工作時(shí)間全部用于觀測(cè)脈沖星,它一年時(shí)間內(nèi)就有望將這個(gè)數(shù)量翻倍。”彭勃說,脈沖星可以用于脈沖星導(dǎo)航、脈沖星計(jì)時(shí)陣等應(yīng)用目標(biāo)。

            彭勃說,科學(xué)家利用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)引力波,并獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡則為自然科學(xué)特別是物理學(xué)相關(guān)領(lǐng)域提供了重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。

            “針對(duì)大眾十分關(guān)心的大射電望遠(yuǎn)鏡能否用于尋找地外文明,答案是肯定的。”彭勃表示,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。

            在7月3日饋源艙升艙和反射面板按計(jì)劃完成安裝后,大射電望遠(yuǎn)鏡將進(jìn)行2個(gè)多月的系統(tǒng)調(diào)試,于9月底正式竣工投入使用。但要實(shí)現(xiàn)所有功能參數(shù)最優(yōu)化,它還要在兩三年的觀測(cè)中不斷調(diào)試完善。

            “大射電望遠(yuǎn)鏡建成后將成為中國(guó)天文學(xué)研究的‘利器’,在未來10至20年保持世界一流設(shè)備的地位。”鄭曉年說,“希望中國(guó)科學(xué)家盡快利用它出成果。”綜合新華社

            對(duì)話

            劉慈欣:望遠(yuǎn)鏡與小說是兩回事

            去年憑小說《三體》獲得雨果獎(jiǎng)最佳長(zhǎng)篇小說獎(jiǎng)的作家劉慈欣昨天出現(xiàn)在“天眼”安裝現(xiàn)場(chǎng),他表示射電望遠(yuǎn)鏡與小說中的紅岸基地系統(tǒng)是兩回事,他會(huì)關(guān)注這個(gè)項(xiàng)目。

            北青報(bào):您去現(xiàn)場(chǎng)觀看了500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡在貴州喀斯特天坑中架設(shè)完成?

            劉慈欣:嗯,去現(xiàn)場(chǎng)看了看,以后會(huì)繼續(xù)關(guān)注這個(gè)項(xiàng)目。

            北青報(bào):射電望遠(yuǎn)鏡是否類似《三體》中紅岸基地的系統(tǒng)?

            劉慈欣:不像,紅岸基地的系統(tǒng)是發(fā)射信息的,射電望遠(yuǎn)鏡是接收信息的,是兩回事。

            北青報(bào):您認(rèn)為射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展對(duì)于探索地外文明有意義嗎?

            劉慈欣:不太清楚,等這個(gè)項(xiàng)目啟動(dòng)了再說吧。

            北青報(bào):你認(rèn)為射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展會(huì)不會(huì)引發(fā)《三體》描述的外星人入侵地球之類的?

            劉慈欣:不會(huì),它只是接收來自宇宙的信息。

            北青報(bào):您對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展有沒有什么建議?

            劉慈欣:不好說,這個(gè)得問工程師等專業(yè)人士。

            文/本報(bào)記者 邢穎

          文章關(guān)鍵詞:中國(guó)“天眼”還要調(diào)試兩個(gè)多月;天眼;大射電望遠(yuǎn)鏡 責(zé)編:安文靖
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