中國“天眼”

郭紅峰

“中國天眼”是一架500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，縮寫FAST），是目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡?！疤煅邸笔撬年欠Q，因?yàn)樗軌驈牡厍蛏弦恢薄翱础钡接钪嫔钐?，甚至探測(cè)到宇宙形成初期的微弱信息。

FAST是一個(gè)大膽的創(chuàng)意。首先，中國此前并沒有建造大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)驗(yàn);其次，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡比當(dāng)時(shí)世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡（阿雷西博）的口徑還要大200米。

這可不是簡單的增大口徑，因?yàn)榭趶降脑龃笠馕吨亓考眲≡黾?，為此產(chǎn)生的加工、支撐、運(yùn)轉(zhuǎn)、控制等方面的難度都直線上升。而采用傳統(tǒng)方法建造肯定是不行的，必須在設(shè)計(jì)上采用創(chuàng)新思路，在技術(shù)上采用創(chuàng)新應(yīng)用。

FAST第一大創(chuàng)新——選址

任何一個(gè)天文臺(tái)的建立，選址都是第一要?jiǎng)?wù)。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收的是可見光波段的信號(hào)（400～700納米段的波長），要求鏡面面型誤差是納米級(jí)的精度，普通的風(fēng)、沙等都會(huì)干擾接收信息。所以，一般光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)都封裝在鏡筒里，還要安裝在有圓頂和天窗的建筑里。射電望遠(yuǎn)鏡接收的是無線電波段的信號(hào)（波長從厘米到米波段的信號(hào)），對(duì)接收鏡面誤差的要求沒有光學(xué)望遠(yuǎn)鏡那么高，所以射電望遠(yuǎn)鏡的接收天線一般都安裝在露天。

一個(gè)500米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，如果安裝在平地，需要建立非常龐大的支撐機(jī)構(gòu)，這將是一項(xiàng)耗工、耗時(shí)、耗資巨大的工程。我國貴州地區(qū)的喀斯特地形既是天然洼地，又是天然漏斗，有良好的天然排水系統(tǒng)。另外，當(dāng)?shù)厝丝谙∈?，無線電污染少，便于建立無線電隔離區(qū)。

為了給FAST選出一個(gè)最好的臺(tái)址，F(xiàn)AST項(xiàng)目組除了人工實(shí)地勘察，還動(dòng)用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)。通過進(jìn)行計(jì)算機(jī)圖像分析和多學(xué)科的數(shù)據(jù)測(cè)量比對(duì)，項(xiàng)目組最后選定了貴州平塘大窩凼寶地。

FAST第二大創(chuàng)新——反射面變形

FAST500米口徑球面鏡是無法加工成一塊整鏡面的。FAST的主反射面設(shè)計(jì)為由4450個(gè)小鏡面單元（簡稱單元塊）拼接組成，每一個(gè)單元塊都是500米球面鏡形狀的一小部分，拼接后就組成了500米口徑的大型球面望遠(yuǎn)鏡的主反射面（大鍋）。

反射面的單元塊也不是簡單的一小塊面板，而是由框架、檁條和小面板等拼裝組成的構(gòu)件。由于反射面板單元塊在整體球面網(wǎng)格上所處的位置不同，其幾何尺寸、傾斜角度、支承點(diǎn)位置、荷載大小和方向都不相同。所以，在每個(gè)單元塊構(gòu)件的連接處，都裝有計(jì)算機(jī)控制的促動(dòng)器，可施加不同的力調(diào)節(jié)各個(gè)小單元塊在整體布局上的幾何構(gòu)形，達(dá)到整體面型一致的精度要求。

正是有了這些可控制的單元塊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使得FAST500米口徑的球冠反射面不像阿雷西博那樣躺著不動(dòng)，而是在其300米范圍內(nèi)可控地變換成40°天頂距范圍內(nèi)全方向可轉(zhuǎn)動(dòng)的拋物面鏡。由此，這臺(tái)龐然大物就可以做阿雷西博式觀測(cè)（使用500米口徑，但不轉(zhuǎn)動(dòng)，比曾經(jīng)的世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡300米級(jí)大了200米），又可以做全轉(zhuǎn)向式望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)（使用300口徑轉(zhuǎn)動(dòng)，比當(dāng)今世界最大全轉(zhuǎn)向射電望遠(yuǎn)鏡100米級(jí)大了200米）。

FAST第三大創(chuàng)新——饋源支撐與高精度定位

美國阿雷西博305米射電望遠(yuǎn)鏡的工作方式是主反射面不動(dòng)，而控制接收器（饋源）移動(dòng)。它用3座鐵塔撐起一套剛性背架，把饋源艙懸吊到反射面的焦點(diǎn)處，系統(tǒng)重達(dá)1000多噸。按照阿雷西博結(jié)構(gòu)計(jì)算，口徑若擴(kuò)大到500米，饋源艙懸吊背架系統(tǒng)將重達(dá)近萬噸，不僅難以實(shí)現(xiàn)，而且不易控制，造價(jià)也將是天文數(shù)字。

FAST項(xiàng)目組研制了一套創(chuàng)新方法：三級(jí)控制。第一級(jí)，用6個(gè)鐵塔拉住6根輕型柔索聯(lián)合施力，拖動(dòng)饋源艙初步就位;第二級(jí)和第三級(jí)由饋源艙內(nèi)定位機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人共同控制，實(shí)現(xiàn)了饋源艙（載有19套接收機(jī)，焦點(diǎn)不盡相同）相對(duì)不同觀測(cè)目標(biāo)的高精度定位。

FAST輕型柔索驅(qū)動(dòng)和高精度定位系統(tǒng)，是目前世界上在建的最大柔性牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)。其經(jīng)驗(yàn)成果已經(jīng)在我國港珠澳大橋等新型大跨度橋梁建設(shè)中得以推廣應(yīng)用。

問題1：你看過真實(shí)的FAST望遠(yuǎn)鏡嗎？

問題2：

你能舉例說明FAST還有哪些先進(jìn)技術(shù)被采用嗎？

FAST成果及國際地位

FAST作為當(dāng)今國際上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，其一流的綜合性能和技術(shù)指標(biāo)，無疑為我國和世界科學(xué)研究領(lǐng)域提供了重要天文觀測(cè)利器，也為國際射電天文界帶來大發(fā)展的機(jī)遇。

FASTI程在技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域同樣成果卓著，對(duì)推動(dòng)我國的天線制造技術(shù)、微波電子技術(shù)、并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)、大尺度結(jié)構(gòu)工程、大范圍高精度動(dòng)態(tài)測(cè)量等相關(guān)科技領(lǐng)域的科技進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展都是大有裨益的。

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