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      從KARST到FAST-中國天眼的概念起源與決策過程*

      2023-04-07 05:44:34李唐
      天文學(xué)報(bào) 2023年1期
      關(guān)鍵詞:饋源反射面射電

      李唐

      (1 中國科學(xué)院國家天文臺(tái) 北京 100101)

      (2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

      1 引言

      “十一五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)是我國自主設(shè)計(jì)、建造的大型射電望遠(yuǎn)鏡,也是世界最大的單天線望遠(yuǎn)鏡.它位于貴州省平塘縣的喀斯特(Karst)洼地之中,采用饋源索支撐系統(tǒng)和可變形的主動(dòng)反射面[1].巨型反射面由鋪在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上的4450個(gè)小單元拼接而成,依靠2225個(gè)促動(dòng)器拉伸索網(wǎng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)變形; 6根長(zhǎng)約600 m的懸索將饋源艙吊于反射面上方,形成光機(jī)電一體化的饋源指向與跟蹤系統(tǒng).從20世紀(jì)90年代產(chǎn)生構(gòu)想到2016年建成,FAST的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段: 概念形成、預(yù)研究和工程建造.其中,概念形成階段集中于FAST基本設(shè)計(jì)構(gòu)想的討論; 1999年首批大筆經(jīng)費(fèi)250萬元[2]424到位后開始的預(yù)研究階段,則主要通過實(shí)物模型建造和仿真模擬,對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn).在FAST概念形成之時(shí),科學(xué)活動(dòng)已進(jìn)入規(guī)模更大、合作更廣泛[3]、與社會(huì)聯(lián)系更為緊密的“大科學(xué)(big science)時(shí)代”,科技決策也更加復(fù)雜.根據(jù)FAST工程檔案以及對(duì)有關(guān)親歷者的訪談,本文梳理了FAST概念形成的過程,關(guān)注研究團(tuán)隊(duì)在其中的關(guān)鍵決策,可為未來在相關(guān)基礎(chǔ)薄弱的領(lǐng)域建設(shè)大科學(xué)工程提供參考.

      2 大科學(xué)時(shí)代的大科學(xué)工程

      進(jìn)入20世紀(jì)特別是第二次世界大戰(zhàn)以后,科學(xué)研究活動(dòng)日趨規(guī)模化和有組織化,資金投入、專業(yè)教育、從業(yè)人員、知識(shí)產(chǎn)出的規(guī)模呈指數(shù)型增長(zhǎng)[4],以分散的個(gè)體性研究為主的小科學(xué)時(shí)代逐漸向大科學(xué)時(shí)代過渡.“大科學(xué)(big science)”的概念源于時(shí)任美國總統(tǒng)科學(xué)顧問委員會(huì)成員、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室主任Weinberg[5]和物理學(xué)家Price[6],其特征不僅在于規(guī)模巨大,如跨學(xué)科甚至跨國的大型科研團(tuán)隊(duì)、昂貴的巨型裝置以及巨額研究經(jīng)費(fèi),也在于組織形式的社會(huì)化.在大科學(xué)時(shí)代,科學(xué)被看作推動(dòng)國家發(fā)展的強(qiáng)大力量.政府有計(jì)劃地設(shè)立科研機(jī)構(gòu)和科學(xué)委員會(huì),并投入資金支持研究活動(dòng).隨著公共財(cái)政對(duì)科研投入的加大,科學(xué)與社會(huì)的關(guān)系日益密切.對(duì)具體科學(xué)項(xiàng)目的支持力度會(huì)受到政治、社會(huì)因素的影響.作為大科學(xué)時(shí)代的產(chǎn)物,大科學(xué)工程的建設(shè)已變得非常社會(huì)化,與經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、公眾、政府等交織在一起.

      大科學(xué)工程本質(zhì)上是一種技術(shù)人工物.根據(jù)西蒙(A.Simon)的人工物理論,工程設(shè)計(jì)者要“考慮人工物應(yīng)是怎樣的,也就是什么樣的人工物才能實(shí)現(xiàn)目的,發(fā)揮其作用”[7]585-586.在對(duì)人工物功能和用途的分析中,他強(qiáng)調(diào)3個(gè)互相關(guān)聯(lián)的要素: 目標(biāo)/目的、人工物的特性、人工物發(fā)揮作用的環(huán)境.人工物自身的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與其周圍環(huán)境之間存在張力,這同時(shí)會(huì)影響人們所期望的用途.事實(shí)上,工程設(shè)計(jì)就是詳盡提供人工物內(nèi)部的“物質(zhì)和結(jié)構(gòu)”,從而滿足來自外部世界的要求或限制.工程設(shè)計(jì)中的決策性質(zhì)(decisional nature)和所受的各種限制,是其區(qū)別于科學(xué)研究的兩個(gè)特征,后者也是前者的原因之一.工程設(shè)計(jì)就是一個(gè)不斷做出決策的過程[7]578-606.

      大科學(xué)工程以有效的科學(xué)探索為目標(biāo),即可被用于全新的科學(xué)研究.一種常見的發(fā)展策略是建造在某些性能指標(biāo)上超越現(xiàn)有設(shè)備的科學(xué)裝置,比如能產(chǎn)生更高能量粒子的加速器、可觀測(cè)更暗弱天體的望遠(yuǎn)鏡.與封閉在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的科學(xué)設(shè)備不同,許多大科學(xué)工程暴露在自然和社會(huì)環(huán)境之中,其與環(huán)境的聯(lián)系十分復(fù)雜.由于外界施加的諸多限制條件,大科學(xué)工程的規(guī)劃者會(huì)面臨一系列的決策,如科學(xué)目標(biāo)的選取、側(cè)重哪些性能、采用什么技術(shù)方案等.在造價(jià)、運(yùn)行環(huán)境等因素的限制下,提升性能需采用新的設(shè)計(jì)方法或技術(shù).這意味著大科學(xué)工程的建設(shè)更多是一個(gè)發(fā)明的過程,即創(chuàng)造出新的技術(shù)人工物.創(chuàng)新意味著風(fēng)險(xiǎn),失敗的可能性總是存在.決策者需綜合考慮經(jīng)費(fèi)、人才、技術(shù)儲(chǔ)備、風(fēng)險(xiǎn)、自然和人文環(huán)境、相關(guān)學(xué)科的現(xiàn)狀與未來發(fā)展等因素,權(quán)衡各種技術(shù)路線的利弊,在一些要素之間折中,從而制定出現(xiàn)實(shí)可行的方案.作為典型的大科學(xué)工程,FAST的建設(shè)也是一個(gè)不斷決策的過程,這在概念形成階段中尤為明顯.

      3 FAST概念形成的背景

      3.1 20世紀(jì)的射電天文學(xué)與下一代望遠(yuǎn)鏡的設(shè)想

      1932年,美國工程師央斯基(Karl Jansky)接收到源自銀河系中心的射電信號(hào),這標(biāo)志著射電天文學(xué)的發(fā)端.隨著大科學(xué)時(shí)代的到來,射電天文學(xué)家和工程師在政府的支持下,陸續(xù)建造了一批大型射電望遠(yuǎn)鏡.英國于1957年建成76 m口徑洛弗爾(Lovell)望遠(yuǎn)鏡,美國于1962年完成了位于綠岸(Green Bank)的91.5 m望遠(yuǎn)鏡1該望遠(yuǎn)鏡于1988年倒塌,后又建造了100 m口徑綠岸望遠(yuǎn)鏡(Green Bank Telescope,GBT),2000年落成啟用.,德國的100 m埃費(fèi)爾斯伯格(Effelsberg)射電望遠(yuǎn)鏡在1972年竣工.1961年,澳大利亞建造的64 m帕克斯(Parkes)望遠(yuǎn)鏡投入觀測(cè); 它是南天區(qū)非常重要的射電望遠(yuǎn)鏡,也是搜尋脈沖星的高效設(shè)備.在冷戰(zhàn)背景下,美國工程師提出建造一種主要用于研究大氣電離層的雷達(dá).為了接收微弱的反射信號(hào),雷達(dá)必須擁有巨大的反射面,這使它同時(shí)成為一面極為靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡.這樣的巨型天線難以采用全可動(dòng)設(shè)計(jì).建造地點(diǎn)最終定為波多黎各(Puerto Rico)的阿雷西博(Arecibo)市,那里天然的喀斯特洼地能降低工程建造成本.建成后的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡(Arecibo Telescope,AT)采用口徑305 m球反射面,觀測(cè)時(shí)使用部分反射面,口徑約200 m.外圍3座高塔用懸索固定重達(dá)550 t的平臺(tái)[8],為克服球差而設(shè)計(jì)的線饋源可在平臺(tái)上移動(dòng)至所使用反射面部分的對(duì)應(yīng)位置.1963年,頻率430 MHz的線饋源安裝完成.為提高工作頻率以拓展研究范圍,AT在1972年至1974年進(jìn)行了第一次升級(jí)改造,原來的金屬網(wǎng)天線改為金屬面板.1997年在平臺(tái)上加裝了由兩面改正鏡組成的系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)了寬帶和全偏振.AT的工作頻段擴(kuò)展為300 MHz-10 GHz,線饋源也被傳統(tǒng)饋源取代.計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使綜合孔徑技術(shù)在60年代得以發(fā)展.英國于1971年建成了基線長(zhǎng)為5 km的綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡.1980年,美國國立射電天文臺(tái)(National Radio Astronomy Observatory,NRAO)建造了當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡-甚大陣(Very Large Array,VLA); 它由27面25 m口徑天線組成,最長(zhǎng)基線36 km.

      在20世紀(jì)最后十幾年中,天文學(xué)家已在構(gòu)想下一代射電望遠(yuǎn)鏡.一個(gè)發(fā)展方向是用來探測(cè)中性氫分布、脈沖星和其他暗弱天體的米波-厘米波望遠(yuǎn)鏡,可進(jìn)行暗物質(zhì)、暗能量、引力波探測(cè)等研究.1985年英國天文學(xué)家威爾金森(P.N.Wilkinson)提出,在中性氫探測(cè)方面,新一代射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率應(yīng)超出VLA一個(gè)量級(jí),并擁有100倍于它的接收面積[9].印度天體物理學(xué)家斯瓦魯普(G.Swarup)所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)努力推進(jìn)巨型米波射電望遠(yuǎn)鏡(Giant Metrewave Radio Telescope,GMRT)的建設(shè)[10],這一望遠(yuǎn)鏡凸顯大接收面積的優(yōu)越性.在1991年召開的國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)(International Astronomical Union)大會(huì)上,威爾金森、斯瓦魯普、蘇聯(lián)天體物理學(xué)家帕里斯基(Yuri Parijskij)等人討論了相關(guān)設(shè)想[9].帕里斯基提出: 根據(jù)接收面積隨時(shí)間的變化趨勢(shì),為接續(xù)前輩們開創(chuàng)的進(jìn)步,需要發(fā)展106m2級(jí)的設(shè)備.威爾金森初步考慮建造一種接收面積為1 km2、主要用于探測(cè)HI和脈沖星的射電望遠(yuǎn)鏡; “規(guī)劃一型接收面積達(dá)1 km2的陣列,時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟”[9].

      3.2 中國參與發(fā)起“大望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃”

      由于諸多歷史原因,中國的射電天文學(xué)起步曲折,其發(fā)展被“大躍進(jìn)”、“文革”等事件多次打斷[11].雖然經(jīng)過后續(xù)努力,建成了由28面9 m口徑天線組成的密云綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡(1984年)2密云望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)曾得到訪華的悉尼大學(xué)教授W.N.Christiansen的大力協(xié)助,包括提供新元件和建議、推薦中國工程師去悉尼學(xué)習(xí)等,詳見文獻(xiàn)[11-12].、青海德令哈13.7 m毫米波望遠(yuǎn)鏡(1990年)以及上海(1987年)、烏魯木齊(1994年)兩個(gè)25 m天線甚長(zhǎng)基線干涉(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)觀測(cè)站,并取得了一些研究成果,但中小型設(shè)備與國際先進(jìn)大望遠(yuǎn)鏡的差距極大阻礙了研究水平的進(jìn)步.對(duì)國內(nèi)科學(xué)家來說,國外儀器的申請(qǐng)使用具有學(xué)術(shù)競(jìng)爭(zhēng)等敏感點(diǎn),自主性和時(shí)效性較低.中國的射電天文學(xué)家迫切需要先進(jìn)的大型望遠(yuǎn)鏡.

      1993年5-6月,荷蘭天文學(xué)家斯特羅姆(Richard Strom)來中國進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問.通過交流,王綬琯、南仁東、彭勃等人得知,國外一些團(tuán)隊(duì)正在考慮建造下一代大型射電望遠(yuǎn)鏡的計(jì)劃,并將在1993年9月的京都大會(huì)上討論相關(guān)事項(xiàng).中國團(tuán)隊(duì)決定參與這一國際合作計(jì)劃,以期帶動(dòng)國內(nèi)射電天文學(xué)的發(fā)展.國際無線電科聯(lián)(International Union of Radio Science,URSI)在9月如期召開第24屆大會(huì),射電天文專門委員會(huì)組織了“第三個(gè)千年的射電望遠(yuǎn)鏡”學(xué)術(shù)會(huì)議,描繪21世紀(jì)射電望遠(yuǎn)鏡的藍(lán)圖.北京天文臺(tái)的吳盛殷作為中國代表參會(huì),參加URSI大會(huì)的還有南仁東和上海天文臺(tái)的葉叔華.各國天文學(xué)家對(duì)未來的構(gòu)想基本一致,科學(xué)界的共識(shí)是必須在我們的電波環(huán)境被徹底毀壞之前,用強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡回溯宇宙原初3南仁東等.國家重大科學(xué)工程項(xiàng)目建議: 500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡-FAST.北京: 中國科學(xué)院北京天文臺(tái),2000: 13.英國、荷蘭、中國等十國射電天文學(xué)家聯(lián)合提出“大望遠(yuǎn)鏡(Large Telescope,LT)計(jì)劃” (LT后發(fā)展為現(xiàn)在的平方公里陣列(Square Kilometer Array,SKA)),籌劃建造接收面積達(dá)1 km2的巨型射電望遠(yuǎn)鏡.預(yù)期的科學(xué)目標(biāo)雄心勃勃,LT技術(shù)復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)高,需要巨額投資,國際合作因而是必要的.會(huì)上決定組建LT工作組(LT Work Group,LTWG),協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、選址、工程預(yù)研究以及經(jīng)費(fèi)籌集等,每年將舉行學(xué)術(shù)研討會(huì).這標(biāo)志著中國射電天文學(xué)家共同發(fā)起、參與國際合作的大科學(xué)工程.LT計(jì)劃的發(fā)端以廣泛的國際合作為基礎(chǔ),拓展了LT未來的技術(shù)可能性; 這同時(shí)也意味著更多來自國際方面的競(jìng)爭(zhēng)、約束和協(xié)作,復(fù)雜的國際背景也成為L(zhǎng)T中國概念先導(dǎo)項(xiàng)目FAST的特點(diǎn)之一.

      4 大望遠(yuǎn)鏡的初期探索

      4.1 阿雷西博型單元的構(gòu)想—靈感與地形

      吳盛殷從京都回國后,向相關(guān)學(xué)者匯報(bào)了大會(huì)的基本情況.北京天文臺(tái)決定成立LT計(jì)劃課題組(Large Telescope project Group,LTG),最初的成員是南仁東、彭勃、吳盛殷等人.LTG面臨的第1個(gè)問題是,是否應(yīng)該爭(zhēng)取將LT建在中國? 對(duì)于射電天文學(xué)家來說,答案是肯定的.中國缺乏大型觀測(cè)設(shè)備,且相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱.倘若LT落戶中國,便能在國際合作框架下,以較小的投入獲得可觀的收益.由此產(chǎn)生了第2個(gè)問題: 中國是否有參與臺(tái)址競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)? 鑒于國內(nèi)當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)狀況,政府無法直接投入巨額資金.但中國幅員遼闊、地形種類繁多、無線電環(huán)境相對(duì)寧靜、勞動(dòng)力廉價(jià).團(tuán)隊(duì)需要結(jié)合現(xiàn)有條件,提供有吸引力的LT中國臺(tái)址或技術(shù)方案.

      對(duì)于LT的基本構(gòu)型,一個(gè)自然的想法是已有諸多先例、由小型天線組成的陣列.小天線陣列需要廣闊的平原,LTG考察了甘肅、青海和內(nèi)蒙古等地區(qū),以尋找適宜的臺(tái)址.同時(shí),一種新構(gòu)想也逐漸成形.威爾金森在1991年發(fā)表的文章中提到,陣列的接收面積達(dá)1 km2,比AT大14倍,比VLA大75倍[9].這使LTG想到,1 km2的面積可由像AT那樣的巨型球面構(gòu)成.這一構(gòu)型對(duì)地形的要求更為嚴(yán)苛.阿雷西博型(Arecibo-type)單元需要天然的喀斯特洼地.這種地貌經(jīng)過長(zhǎng)期演化,地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,可大幅減少工程開挖量,從而顯著降低造價(jià); 而且坑內(nèi)不會(huì)積水,周圍的群山作為自然屏障,也可以阻擋外界的無線電干擾[13].經(jīng)中科院遙感所聶躍平介紹,LTG得知貴州有大片的喀斯特地貌,具有作為臺(tái)址的可能性.

      1994年3月,LTWG在英國召開第一次工作會(huì)議(LTWG-1),對(duì)LT的科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)方案進(jìn)行討論,明確在科學(xué)目標(biāo)的引導(dǎo)下,LT計(jì)劃既要保證技術(shù)上的先進(jìn)性,又要考慮經(jīng)濟(jì)上的可行性.根據(jù)科學(xué)目標(biāo)可得出望遠(yuǎn)鏡的性能指標(biāo),但經(jīng)費(fèi)會(huì)大大限制可行的技術(shù)路線.經(jīng)估算,當(dāng)時(shí)LT所允許的每平方米天線造價(jià)約為200美元,遠(yuǎn)低于VLA(0.013 km2,10000美元/m2)和GMRT (0.048 km2,1000美元/m2)4南仁東等.國際大射電望遠(yuǎn)鏡(LT)爭(zhēng)建建議書.北京: 國際大射電望遠(yuǎn)鏡中國推進(jìn)委員會(huì),1996: 14.LTG提供了8個(gè)平原候選臺(tái)址,還提出利用阿雷西博型單元組成陣列的建議.代表們對(duì)中國科學(xué)家的方案很感興趣,希望LTG能進(jìn)一步開展臺(tái)址勘察.聶躍平在4月先行前往貴州,初步考察了兩片洼地集中區(qū),相關(guān)結(jié)果在8月舉辦的LTWG-2會(huì)議上得到展示.LTWG在會(huì)上大體確認(rèn)了3種LT單元: (1)阿雷西博型球形反射面.(2)自適應(yīng)相位陣.(3)由小拋物面天線組成的密集陣列,如用400面10 m天線構(gòu)成的等效單元.其他方案因造價(jià)或技術(shù)限制而被排除.同年9月和11月,LTG成員對(duì)貴州進(jìn)行實(shí)地踏勘、測(cè)試無線電環(huán)境干擾,發(fā)現(xiàn)貴州的喀斯特洼地在單坑尺度、數(shù)量、分布范圍、無線電環(huán)境等方面均頗具優(yōu)勢(shì).這一LT中國路線后被稱為KARST計(jì)劃(Kilometer-square Area Radio Synthesis Telescope project)[14].

      4.2 “大膽的設(shè)計(jì)革新”: 饋源索支撐

      AT是KARST方案的參考對(duì)象.這種球面天線的造價(jià)主要取決于主反射面和饋源支撐兩大部分,后者所占的比重更高5同上,p.53.不同結(jié)構(gòu)的主反射面造價(jià)差異不大,這說明降低成本基本依賴于饋源支撐系統(tǒng)的改進(jìn).LT需在亞角秒分辨率下達(dá)到亞mK靈敏度,“基本單元” (或極致密子陣)的孔徑應(yīng)為300-400 m.在LTG的規(guī)劃中,KARST單元口徑在300-500 m之間; 若采用與AT饋源支撐相似的技術(shù)方案,平臺(tái)的重量或?qū)⑦_(dá)到千噸甚至萬噸,造價(jià)高昂.KARST計(jì)劃的推進(jìn)亟需饋源支撐系統(tǒng)的創(chuàng)新.1995年7月4-6日,LTG在北京天文臺(tái)密云工作站組織了一批工程技術(shù)專家討論LT相關(guān)方案.西安電子科技大學(xué)(簡(jiǎn)稱“西電”)提出了幾種饋源支撐設(shè)想;其中最具影響力的便是取消用于AT饋源支撐的鋼結(jié)構(gòu),將一個(gè)“裸”的線饋源懸吊在主反射面上方,用索拖動(dòng)定位,即饋源“無平臺(tái)”支撐方案.這一設(shè)想最直接的優(yōu)勢(shì)在于減少了饋源支撐系統(tǒng)的重量,從而大幅降低造價(jià).

      密云會(huì)議結(jié)束后,西電團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步深化該方案,3個(gè)月后在LTWG-3貴州會(huì)議上做了正式報(bào)告.“裸”饋源的兩端裝有激光傳感器,可由全站儀實(shí)時(shí)測(cè)定饋源的空間位姿; 伺服驅(qū)動(dòng)采用對(duì)懸索張馳主動(dòng)控制的方式,代替AT的直接機(jī)械驅(qū)動(dòng).經(jīng)計(jì)算,采用光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的饋源“無平臺(tái)”支撐系統(tǒng)重量可降為約30 t,成本僅為前者的1/10,且避免了AT那樣龐大的支撐平臺(tái)對(duì)信號(hào)光路的遮擋.國外專家評(píng)價(jià)其為一種“大膽的設(shè)計(jì)革新”6同上,p.53.這意味著,光機(jī)電一體化的饋源索支撐方案在設(shè)計(jì)和技術(shù)上較為超前,雖具有一定風(fēng)險(xiǎn),但有望成功.假如沒有這一方案或能達(dá)到相似效果的替代品,KARST計(jì)劃的造價(jià)將是難以承受的,甚至?xí)?dǎo)致該計(jì)劃的夭折.此外,一些新的饋源支撐設(shè)計(jì)也在討論中涌現(xiàn); 例如,在反射面中間立一根長(zhǎng)桿,桿上搭有懸臂,線饋源利用懸臂移動(dòng).這些想法由于技術(shù)難度過大、造價(jià)高或無團(tuán)隊(duì)跟進(jìn)研究等原因,均未能實(shí)施.

      4.3 主動(dòng)反射面方案的提出

      根據(jù)LT的科學(xué)目標(biāo),基本單元需以較低造價(jià)實(shí)現(xiàn)大天區(qū)覆蓋、一定的帶寬和偏振能力.AT天區(qū)覆蓋較小,天頂角僅為20°,阿雷西博型單元的天空覆蓋范圍必須擴(kuò)大,盡管這類單元的天區(qū)覆蓋難以與全可動(dòng)天線達(dá)到同一水平.為克服球差而采用的線饋源只能在幾個(gè)特定頻段工作.在LTWG-3上,中國團(tuán)隊(duì)也曾提出可克服球差并實(shí)現(xiàn)寬帶的相位陣饋源(Phased Array Feed,PAF)方案; 比如西電的有源全頻段線/面饋源方案,電子部14所提出的雙反射面加相控饋源陣的設(shè)計(jì)思想7同上,pp.51-52.但它們并不成熟.在概念探索初期,LTG能建立的合作關(guān)系網(wǎng)規(guī)模也有局限.“實(shí)踐表明,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而廉價(jià)的克服球差的寬帶饋源是很困難的”[15].

      1997年,邱育海在一次LTG組會(huì)上提出,球面與拋物面相差不大,阿雷西博型單元的主反射面可設(shè)計(jì)成主動(dòng)模式,即球面的某一部分在用于觀測(cè)時(shí)變形為拋物面.球差不復(fù)存在,因而可用常用的喇叭式饋源代替窄頻帶的線饋源,寬帶和偏振問題迎刃而解.根據(jù)隨后的分析,倘若望遠(yuǎn)鏡的口徑為530 m,觀測(cè)時(shí)使用300 m口徑,則天頂角為32°; 如選用560 m口徑,其天頂角可增至40°,此時(shí)可觀測(cè)天區(qū)可達(dá)60%以上[15].這一方案幾乎完美解決了上述所有難點(diǎn).問題是它現(xiàn)實(shí)可行嗎? 經(jīng)計(jì)算,當(dāng)焦距F=0.467R(R為球的曲率半徑)時(shí),可得300 m的可用(照明)孔徑,此時(shí)球面與拋物面的最大差值僅為0.65 m[15]-這說明兩者形狀相近,對(duì)球面進(jìn)行變形以擬合拋物面在理論上是可行的.龐大的主反射面可由眾多小型單元拼接而成.幾乎同時(shí),AT加裝了用于克服球差的改正鏡.初步估算表明,反射面變?yōu)橹鲃?dòng)式所增加的費(fèi)用低于采用AT饋源改正鏡的費(fèi)用[15].主動(dòng)反射面方案實(shí)質(zhì)上進(jìn)行了問題轉(zhuǎn)化,將克服球差的問題從饋源系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至反射面部分.

      5 3次轉(zhuǎn)向與FAST概念的形成

      5.1 基礎(chǔ)性抉擇: 轉(zhuǎn)向KARST計(jì)劃

      在LT/SKA早期討論階段,其技術(shù)路線大體分為兩類: 大口徑小數(shù)目天線(Large Diameter Small Number,LDSN)和大數(shù)目小口徑天線(Large Number Small Diameter,LNSD).前者包括中國的KARST和加拿大的LAR (Large Adaptive Reflector),后者由美國的ATA (Allen Telescope Array)、荷蘭的AAT (Aperture Array Tile)和澳大利亞的LLA (Luneburg Lens Antenna)組成[16].之前提到,LTG最初致力于LNSD路線的選址,后提出KARST計(jì)劃.LTG很快意識(shí)到LNSD中國臺(tái)址前景黯淡,在1995年將其放棄,完全轉(zhuǎn)向KARST計(jì)劃研究.這一轉(zhuǎn)變的原因主要在于3個(gè)方面: (1)資源不足: LNSD路線所需的平原地形在新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古等地均有分布,在廣大地域上選址需要一個(gè)大型團(tuán)隊(duì).LTG在成立之初僅有3-5位成員,且政府、中科院并未提供大量經(jīng)費(fèi),其他單位的協(xié)助多依靠私人關(guān)系、“自帶干糧”.既然貴州的大片喀斯特洼地已得到確證,將有限的財(cái)力、人力集中于一處是明智的選擇.(2)國際競(jìng)爭(zhēng)力:在LT/SKA臺(tái)址確定之前,爭(zhēng)取LT落戶中國始終是LTG的核心目標(biāo).反觀國際局勢(shì),美國、澳大利亞、荷蘭均提出了自己的LNSD型方案.美、澳都擁有廣闊的平原地形,無線電寧靜度良好,射電天文技術(shù)、人才儲(chǔ)備雄厚,語言文化相近.倘若LTG繼續(xù)LNSD路線的中國選址,則除了勞動(dòng)力廉價(jià)之外中國幾乎再無優(yōu)勢(shì).中國的無線電寧靜程度會(huì)因人口稠密,隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展而惡化.KARST計(jì)劃對(duì)地形的要求較為嚴(yán)苛,貴州地貌得天獨(dú)厚,時(shí)任LTWG主席的布朗博士認(rèn)為其“獨(dú)一無二”8同上,p.68; 相比于美國的波多黎各,貴州的喀斯特地形發(fā)育更好,地震、颶風(fēng)等自然災(zāi)害發(fā)生概率極小[17].換言之,KARST的臺(tái)址基本只能是貴州,貴州臺(tái)址是中國參與LT競(jìng)爭(zhēng)的重要資本.此外,盡管KARST方案有一定局限(如視場(chǎng)和天區(qū)覆蓋小),但其技術(shù)較為清晰,很可能以更低造價(jià)獲得1 km2的接收面積,達(dá)到預(yù)期的靈敏度.(3)技術(shù)革新: 國內(nèi)一些院所對(duì)阿雷西博型單元進(jìn)行初步研究,提出了建設(shè)性的創(chuàng)新技術(shù),光機(jī)電一體化饋源索支撐就是其中的典型.這些方案的提出與深化使中國LT的總體圖像清晰起來,對(duì)轉(zhuǎn)向起到了推動(dòng)作用.

      5.2 先導(dǎo)單元FAST

      在LTG決定推進(jìn)KARST計(jì)劃后,建設(shè)一面先導(dǎo)單元的想法浮現(xiàn)出來.KARST計(jì)劃初期構(gòu)想大致為: 由30余面直徑約300 m的球面望遠(yuǎn)鏡單元組成的陣列[18].各單元包含饋源索支撐等新穎設(shè)計(jì)以降低工程造價(jià).創(chuàng)新與風(fēng)險(xiǎn)同在,利用改型的阿雷西博型單元組陣也具有風(fēng)險(xiǎn).LT最終方案的確定尚待時(shí)日,為增強(qiáng)KARST計(jì)劃的競(jìng)爭(zhēng)力,用于驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)的先導(dǎo)單元是必要的.LTG清晰地認(rèn)識(shí)到,先導(dǎo)單元的作用不應(yīng)局限于技術(shù)樣機(jī),同時(shí)也是可進(jìn)行有效科學(xué)研究的大型設(shè)備.在這一定位的引導(dǎo)下,望遠(yuǎn)鏡的口徑應(yīng)在經(jīng)費(fèi)、技術(shù)允許的條件下盡量增大.雖然200-300 m口徑的單元可驗(yàn)證方案的可行性,但其探測(cè)能力僅與已運(yùn)行了30多年的AT持平,難以有顯著的科學(xué)產(chǎn)出.若口徑能增加到約500 m,先導(dǎo)單元的靈敏度將比AT高2倍.根據(jù)500 m的口徑以及英文縮寫KARST,先導(dǎo)單元被命名為FAST[14].威爾金森曾對(duì)AT評(píng)價(jià)道:“盡管其天空、頻率覆蓋受限,但阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)產(chǎn)出彰顯了其接收面積的優(yōu)勢(shì),它比最大的全可動(dòng)拋物面大5-10倍[9].” LTG所關(guān)注的焦點(diǎn)正是FAST巨大接收面積帶來的靈敏度優(yōu)勢(shì).此外,在照明孔徑一定的情況下,口徑的擴(kuò)大還能增加天區(qū)覆蓋,進(jìn)一步拉大相較于AT 的性能優(yōu)勢(shì).

      無論LT/SKA是否采用KARST方案,先導(dǎo)單元的部分性能指標(biāo)都將大幅超越現(xiàn)有設(shè)備.FAST建成后將是世界上靈敏度最高的米波-厘米波射電望遠(yuǎn)鏡,為中國和國際天文事業(yè)的發(fā)展帶來有力驅(qū)動(dòng).作為L(zhǎng)T中國方案的先導(dǎo)單元,FAST的科學(xué)目標(biāo)與LT基本重合.多國合作的LT由于“眾口難調(diào)”進(jìn)展緩慢,中國若能先行建成FAST,將占據(jù)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的先機(jī).經(jīng)專家初步研討,500 m口徑在技術(shù)上有實(shí)現(xiàn)的可能.從經(jīng)費(fèi)角度看,這樣一面望遠(yuǎn)鏡的預(yù)計(jì)造價(jià)也是政府有可能接受的,過大的口徑將使成本難以承受.后來,主動(dòng)反射面方案被確認(rèn),FAST預(yù)研究計(jì)劃得到同行廣泛支持,先后獲得中國科學(xué)院、國家科技部和國家自然科學(xué)基金委的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi).LTG和LT中國推進(jìn)委員會(huì)(1995年LTG發(fā)起成立的統(tǒng)籌全國合作的非官方組織)的工作重點(diǎn)完全轉(zhuǎn)向FAST預(yù)研究,并在此基礎(chǔ)上申請(qǐng)F(tuán)AST作為國家大科學(xué)工程項(xiàng)目獲得國家發(fā)改委立項(xiàng),同時(shí)盡量爭(zhēng)取LT/SKA采用中國方案.

      5.3 主反射面構(gòu)型之爭(zhēng): 穩(wěn)妥抑或突進(jìn)?

      在LTG初期的設(shè)想中,阿雷西博型單元的反射面是固定式的.在1997年邱育海提出主動(dòng)反射面構(gòu)想后,LTG內(nèi)部產(chǎn)生了分歧.反對(duì)方認(rèn)為,FAST應(yīng)繼續(xù)采用成熟的固定球反射面,支持方則堅(jiān)持推進(jìn)主動(dòng)反射面方案.相比于支持方,反對(duì)方擁有豐富的工廠車間經(jīng)驗(yàn),更關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)問題; 盡管固定反射面會(huì)使FAST科學(xué)目標(biāo)受限,但FAST口徑達(dá)到500 m,考慮到中國的望遠(yuǎn)鏡建造技術(shù)、工業(yè)實(shí)力和經(jīng)費(fèi)限制,采用固定反射面和饋源索支撐創(chuàng)新的FAST本身已有較高風(fēng)險(xiǎn)性,加入主動(dòng)反射面會(huì)使風(fēng)險(xiǎn)激增.與之相對(duì),支持方更強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新設(shè)計(jì)帶來的性能突破; 在專家評(píng)估的有較大實(shí)現(xiàn)可能之基礎(chǔ)上,應(yīng)當(dāng)推進(jìn)主動(dòng)反射面方案.可以說,這是技術(shù)創(chuàng)新與工程風(fēng)險(xiǎn)之間的權(quán)衡.

      支持方開始尋求相關(guān)領(lǐng)域?qū)<业闹С?作為中國射電天文學(xué)的奠基人,王綬琯院士對(duì)FAST也格外關(guān)注.他認(rèn)為先導(dǎo)單元應(yīng)追求比AT更大的天區(qū)范圍,雖然風(fēng)險(xiǎn)較大,但不妨嘗試主動(dòng)反射面方案;邱育海[15]關(guān)于主動(dòng)反射面的文章在他的推薦下得以發(fā)表.1997年6月,在支持方成員陪同下,王綬琯、葉叔華、陳建生3位中科院院士前往貴州實(shí)地考察,FAST的科學(xué)目標(biāo)、臺(tái)址以及地方支持得到了他們的認(rèn)可.王綬琯隨即向自動(dòng)控制專家、中科院院士楊嘉墀咨詢主動(dòng)反射面支撐結(jié)構(gòu)所需的上千點(diǎn)實(shí)時(shí)控制能否實(shí)現(xiàn),楊嘉墀對(duì)其未來可行性持肯定態(tài)度[2]36-42.1997年秋,彭勃訪問德國,與100 m埃費(fèi)爾斯伯格射電望遠(yuǎn)鏡總設(shè)計(jì)師馮·赫爾納(Sebastian von Hoerner)討論FAST概念; 赫爾納對(duì)光機(jī)電一體化饋源索支撐和主動(dòng)反射面兩項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新給予了高度評(píng)價(jià).在一些立項(xiàng)申請(qǐng)受挫后,王綬琯、陳建生、楊嘉墀、陳芳允4位中科院院士聯(lián)名寫信推薦包含主動(dòng)反射面的FAST項(xiàng)目.1998年2月,時(shí)任中科院院長(zhǎng)路甬祥在推薦信上批復(fù),支持FAST作為國家大科學(xué)工程候選項(xiàng)目.3月,邱育海等LTG成員訪問英國,正式向國際天文界宣介FAST概念,其中的主動(dòng)反射面構(gòu)想得到諾貝爾獎(jiǎng)得主、天文學(xué)家休伊什(A.Hewish)等英國科學(xué)家們的肯定,主動(dòng)反射面相關(guān)論文[19]也得到休伊什推薦,在國際天文學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表.在一些專家認(rèn)可的基礎(chǔ)上,主動(dòng)反射面方案被基本確認(rèn),FAST主反射面構(gòu)型由固定式轉(zhuǎn)為可動(dòng)式.

      轉(zhuǎn)向KARST計(jì)劃奠定了FAST概念形成的基礎(chǔ),先導(dǎo)單元構(gòu)想使國際合作的大科學(xué)工程發(fā)展為自主創(chuàng)新的中國大科學(xué)工程.當(dāng)貴州喀斯特臺(tái)址、饋源索支撐和主動(dòng)反射面3個(gè)要素都得到確認(rèn)后,FAST完整概念便形成了.通過以南仁東為代表的FAST團(tuán)隊(duì)的努力,FAST概念經(jīng)過預(yù)研究和建造被實(shí)體化.“中國天眼”FAST于2007年獲得國家立項(xiàng)批復(fù),2011年3月開工建設(shè),最終在2016年9月落成啟用.啟用時(shí),習(xí)近平主席發(fā)來賀信,希望FAST團(tuán)隊(duì)“早出成果、多出成果,出好成果、出大成果”.目前,FAST運(yùn)行狀況良好,已取得了一批突出的科學(xué)成果[17]; FAST已成為新中國成立70年、改革開放以來40年的標(biāo)志性大科學(xué)工程的成功建設(shè)樣板之一.2021年2月,總書記考察貴州時(shí)指出:“中國天眼”是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,是觀天巨目、國之重器,實(shí)現(xiàn)了我國在前沿科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大原創(chuàng)突破.

      6 結(jié)語

      FAST使中國射電天文學(xué)家擁有了先進(jìn)的大型望遠(yuǎn)鏡,中國射電天文學(xué)在部分科學(xué)領(lǐng)域中具備了實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的基礎(chǔ)和潛力.FAST的科學(xué)目標(biāo)是先進(jìn)的,其源于國際前沿的LT計(jì)劃.FAST概念衍生自LT中國概念KARST計(jì)劃,后者在國際競(jìng)爭(zhēng)中著眼于發(fā)揚(yáng)低成本和地形優(yōu)勢(shì).FAST借鑒但未全盤復(fù)制AT,以高靈敏度為突破點(diǎn)并擴(kuò)大天區(qū)覆蓋,創(chuàng)新的同時(shí)降低了風(fēng)險(xiǎn).FAST以創(chuàng)新的工程概念突破了造價(jià)cost∝D3(D為幾何口徑)的關(guān)系,開創(chuàng)了廉價(jià)建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式9同上,p.68.可以說,FAST誕生于我國與國際天文學(xué)發(fā)展的互動(dòng)與融合進(jìn)程,實(shí)現(xiàn)了從跟進(jìn)到占據(jù)先機(jī)的轉(zhuǎn)變.

      對(duì)于饋源索支撐和主動(dòng)反射面兩項(xiàng)創(chuàng)新,后者引起的爭(zhēng)議遠(yuǎn)多于前者.事實(shí)證明,無先例可循的主動(dòng)反射面的確具有高風(fēng)險(xiǎn)性.在FAST的建造過程中,反射面索網(wǎng)疲勞問題一度成為該項(xiàng)目的顛覆性危機(jī)[20].一些研究表明,在幾個(gè)方案(如主動(dòng)反射面和固定反射面)間進(jìn)行選擇時(shí),不存在現(xiàn)成的理性程序[7]657-663; Simon[21]認(rèn)為,這純粹是經(jīng)驗(yàn)性的.團(tuán)隊(duì)決策中的不同個(gè)體擁有各自的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,準(zhǔn)則間的協(xié)商(哪種方案更合適或誰作出讓步)必然基于決策者的權(quán)衡.設(shè)計(jì)者難以考慮到所有影響因素,所選方案通常是嘗試性的,方案的成功亦具有偶然性.在一些專家的支持下,主動(dòng)反射面被采納并成功建造,其成功也具有一定的偶然性.在建造完成之前,專家們和LTG未考慮到的因素肯定存在,始料未及的突發(fā)情況需得到解決.盡管很多先進(jìn)的大科學(xué)工程在竣工前都飽受爭(zhēng)議(如VLA曾被認(rèn)為是“無法想象的”、“技術(shù)上不可行的”[22]),但相關(guān)專家的不同意見在概念討論時(shí)還是頗有參考價(jià)值.主動(dòng)反射面方案反對(duì)方的擔(dān)憂是合理的,對(duì)團(tuán)隊(duì)后期的工作起到了警示作用.國內(nèi)外一些專家對(duì)主動(dòng)反射面方案的肯定對(duì)LTG決策起到重要推進(jìn)作用,在一定程度上降低了創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn).從科技政策的角度看,應(yīng)把預(yù)制研究作為大科學(xué)工程建設(shè)中的獨(dú)立階段[23],給予專項(xiàng)資金支持; 在該階段中探索新技術(shù)路線,對(duì)其可行性進(jìn)行驗(yàn)證,且容許失敗,視情況決定是否立項(xiàng)建造.這樣能以相對(duì)較低的成本和風(fēng)險(xiǎn)鼓勵(lì)創(chuàng)新.工程設(shè)計(jì)者也應(yīng)適當(dāng)增加高風(fēng)險(xiǎn)方案的備用路線; 例如,除了索網(wǎng)結(jié)構(gòu),FAST研究團(tuán)隊(duì)還曾試驗(yàn)以機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)變形的技術(shù),其作為備用方案可降低風(fēng)險(xiǎn).

      致謝感謝中國科學(xué)院FAST重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題的支持.

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