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Copyright (c) 2012 機(jī)電產(chǎn)品交易網(wǎng) . 版權(quán)所有 皖I(lǐng)CP備12004440號(hào)-2
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”既是中國制造更是中國創(chuàng)造
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”書寫中國創(chuàng)造
“在這里，再高的吊車也望塵莫及、再長的臂手也鞭長莫及！”回顧建設(shè)歷程，國家天文臺(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)工程師武榮陽說，觀測(cè)天體時(shí)因?yàn)榈厍蛴凶詡?，需要補(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)是為了確保萬無一失。
“從技術(shù)到材料，基本上都是國產(chǎn)化，既是中國制造，更是中國創(chuàng)造。”王啟明說，中國大射電望遠(yuǎn)鏡創(chuàng)造了很多奇跡，更體現(xiàn)了我國自主創(chuàng)新能力，推動(dòng)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(dòng)態(tài)測(cè)量等眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展。
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年國際無線電聯(lián)大會(huì)上，包括中國在內(nèi)的10國天文學(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)合國內(nèi)20余所大學(xué)和研究所，成立了射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國推進(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。中國科學(xué)院國家天文臺(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“天眼”優(yōu)勢(shì)在哪兒？
無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?？茖W(xué)家們形容它是一座“觀天巨眼”。
中國科學(xué)院國家天文臺(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。”中國科學(xué)院國家天文臺(tái)副臺(tái)長鄭曉年說。
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)一頁紙，中國大射電望遠(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，“希望中國科學(xué)家盡快利用它出成果。”
