世界最大單口徑射電天文望遠鏡將捕捉“天外之聲”

十月中旬，貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩凼洼地依然青山環繞。一個直徑500米的圈梁在群山的臂膀中“橫空出世”，被50根6米到50米高低不等的鋼柱支在半空，其周長達1.6公里。放眼望去，其圈梁上安裝的巨大黑色索網、索繩約莫有一顆雞蛋的粗細。

這正是中國“500米口徑球面射電望遠鏡”（以下簡稱“FAST”）施工現場。“國慶節期間，我們拼裝現場仍然一片繁忙。4450塊面板的生產和拼裝是個巨大的任務，因為它們由上百萬個零件組成。” 10月15日下午，中國電科第54所（以下簡稱“54所”）高級工程師、FAST工程反射面單元設計與制造項目副總設計師張萬才在施工現場接受《中國科學報》記者采訪時說。

“按照工程進度，每天需要提交至少20余塊面板，即2000個子單元和上萬個零件的生產與拼裝。”張萬才向記者介紹說。從7月25日開始拼裝第一塊面板，兩個多月來，項目組已經拼裝完成800余塊反射面。“國慶長假結束后，完工的工程量又提升了3個百分點，雖然勞累，但我們項目組的成員都覺得很踏實。”張萬才補充說。

世界“第一天眼”

FAST有著世界“第一天眼”之稱，它是目前世界上計劃及正在建造中的口徑最大、威力最強的單天線射電望遠鏡，擁有30個足球場大的接收面積。FAST比號稱“地面最大機器”的德國波恩100米望遠鏡靈敏度提高了約10倍。建成后，它將成為世界第一大單口徑射電天文望遠鏡，并在未來二三十年繼續保持世界領先地位。

反射面面板是決定FAST探測威力和探測精度的核心要素。據了解，FAST反射面由4450個單元構成，每個單元由100塊基礎面板組成，總面積為25萬平方米，它們均由54所研制。

拼裝完成后，巨大的反射面看起來就像一口“超級大鍋”，6個支撐塔高高豎起，網格逐漸爬滿了“鍋”底，向上延伸“咬住”環梁，反射面面板一圈一圈鋪滿索網的空隙，織完巨網。

反射面板最終將要被安裝在這些索網上，張萬才告訴記者，但在此之前，首先要把面板拼裝在網架上。拼裝地點就在大窩凼旁邊一個1萬平方米的空地上，被稱為“小窩凼”。

依據最初規劃，FAST的主要目標不是在短期內實現經濟效益，而是要探測宇宙中的遙遠信號和物質，中國電科產業部主任楊定江介紹說。

作為一個多學科基礎研究平臺，記者了解到，FAST建成后將用于捕獲“天外之聲”，探析宇宙奧秘。它有能力將中性氫觀測延伸至百億光年外的宇宙邊緣，用以觀測暗物質和暗能量，尋找第一代天體；有能力將深空測控由地球同步軌道延伸至太陽系外緣，將衛星數據接收能力提高100倍。它將在從宇宙起源到星際物質結構的探索、對暗弱脈沖星及其他暗弱射電源的搜索、對地外理性生命的搜索等6個方面實現科學和技術的重大突破。

挑戰“超級工程”

但在此之前，科研人員首先需要解決面前的重重挑戰。FAST工程反射面板拼裝面臨著種類多、數量大、工期緊、任務重等問題。工程人員不僅要把4450塊反射面單元最終構成完整的FAST，而且更為復雜的是，這些反射面單元種類達484種，子單元的種類更是多達3388種，僅安裝鉚接部件就有140種。同時，據該項目總設計師鄭元鵬介紹，施工要求安裝精度誤差不能超過2毫米。

“為完成這一‘超級工程’，前期設計階段就大量引入計算機輔助，用計算機為生產任務進行批量設計，組織物料、生產直至施工。”鄭元鵬介紹。

由于安裝精度要求高，手工測量費時費力，很難保證每天20多塊的拼裝要求。為了實現2毫米精度的批量測量，54所還研發了自動化攝影測量系統，實時校準施工精度。據介紹，這些反射面單元最終將具備主動調整姿態能力，在計算機設置下根據研究需求對不同天區聚焦觀測。

研究人員根據索網節點坐標數據以及單元的安裝尺寸要求，采用參數化設計方法，準確高效地給出每種單元的尺寸數據，將構件數量達上百萬件的單塊子單元的表面精度最終能夠控制在1毫米以內。正因為如此，4450個反射面每一個都可以進行對焦，靈敏度可達Arecibo望遠鏡的2倍，巡天速度是它的10倍。

創新核心“天眼”

而作為饋源接收機的安裝平臺的饋源艙，相當于FAST的“眼睛”，是一個集多種技術于一體的光機電一體化復雜綜合系統。而“饋源艙”及艙停靠平臺的研制任務，正是54所在FAST工程中承擔的另一重要系統任務。

“饋源艙作為FAST核心部件，‘天眼’捕捉的信號將全部聚焦到饋源艙并由其接收。但饋源艙被六根柔性支撐索懸吊于空中，精確控制其位置難度極大。”該所高級工程師、FAST工程饋源艙系統總設計師李建軍介紹，經過創新多項精調軟件和硬件，項目最終可以實現在風力干擾下，將饋源艙實時定位精度控制在毫米級。

此外，54所研發的饋源艙還在保證剛度基礎上，取得了輕量化的突破，自重僅為13噸。結合超高電磁屏蔽效能和動態測量標定技術，最終實現FAST空前的靈敏度。

“艙停靠平臺在去年11月安裝完畢，同時安裝的還有一個與正式饋源艙相仿的代艙。”李建軍介紹，正式饋源艙正在緊張生產，預計本月底進行現場安裝。而按照施工計劃，2016年9月FAST有望投入使用。