世界最大单口径射电天文望远镜将捕捉“天外之声”

十月中旬，贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县大窝凼洼地依然青山环绕。一个直径500米的圈梁在群山的臂膀中“横空出世”，被50根6米到50米高低不等的钢柱支在半空，其周长达1.6公里。放眼望去，其圈梁上安装的巨大黑色索网、索绳约莫有一颗鸡蛋的粗细。

这正是中国“500米口径球面射电望远镜”（以下简称“FAST”）施工现场。“国庆节期间，我们拼装现场仍然一片繁忙。4450块面板的生产和拼装是个巨大的任务，因为它们由上百万个零件组成。” 10月15日下午，中国电科第54所（以下简称“54所”）高级工程师、FAST工程反射面单元设计与制造项目副总设计师张万才在施工现场接受《中国科学报》记者采访时说。

“按照工程进度，每天需要提交至少20余块面板，即2000个子单元和上万个零件的生产与拼装。”张万才向记者介绍说。从7月25日开始拼装第一块面板，两个多月来，项目组已经拼装完成800余块反射面。“国庆长假结束后，完工的工程量又提升了3个百分点，虽然劳累，但我们项目组的成员都觉得很踏实。”张万才补充说。

世界“第一天眼”

FAST有着世界“第一天眼”之称，它是目前世界上计划及正在建造中的口径最大、威力最强的单天线射电望远镜，拥有30个足球场大的接收面积。FAST比号称“地面最大机器”的德国波恩100米望远镜灵敏度提高了约10倍。建成后，它将成为世界第一大单口径射电天文望远镜，并在未来二三十年继续保持世界领先地位。

反射面面板是决定FAST探测威力和探测精度的核心要素。据了解，FAST反射面由4450个单元构成，每个单元由100块基础面板组成，总面积为25万平方米，它们均由54所研制。

拼装完成后，巨大的反射面看起来就像一口“超级大锅”，6个支撑塔高高竖起，网格逐渐爬满了“锅”底，向上延伸“咬住”环梁，反射面面板一圈一圈铺满索网的空隙，织完巨网。

反射面板最终将要被安装在这些索网上，张万才告诉记者，但在此之前，首先要把面板拼装在网架上。拼装地点就在大窝凼旁边一个1万平方米的空地上，被称为“小窝凼”。

依据最初规划，FAST的主要目标不是在短期内实现经济效益，而是要探测宇宙中的遥远信号和物质，中国电科产业部主任杨定江介绍说。

作为一个多学科基础研究平台，记者了解到，FAST建成后将用于捕获“天外之声”，探析宇宙奥秘。它有能力将中性氢观测延伸至百亿光年外的宇宙边缘，用以观测暗物质和暗能量，寻找第一代天体；有能力将深空测控由地球同步轨道延伸至太阳系外缘，将卫星数据接收能力提高100倍。它将在从宇宙起源到星际物质结构的探索、对暗弱脉冲星及其他暗弱射电源的搜索、对地外理性生命的搜索等6个方面实现科学和技术的重大突破。

挑战“超级工程”

但在此之前，科研人员首先需要解决面前的重重挑战。FAST工程反射面板拼装面临着种类多、数量大、工期紧、任务重等问题。工程人员不仅要把4450块反射面单元最终构成完整的FAST，而且更为复杂的是，这些反射面单元种类达484种，子单元的种类更是多达3388种，仅安装铆接部件就有140种。同时，据该项目总设计师郑元鹏介绍，施工要求安装精度误差不能超过2毫米。

“为完成这一‘超级工程’，前期设计阶段就大量引入计算机辅助，用计算机为生产任务进行批量设计，组织物料、生产直至施工。”郑元鹏介绍。

由于安装精度要求高，手工测量费时费力，很难保证每天20多块的拼装要求。为了实现2毫米精度的批量测量，54所还研发了自动化摄影测量系统，实时校准施工精度。据介绍，这些反射面单元最终将具备主动调整姿态能力，在计算机设置下根据研究需求对不同天区聚焦观测。

研究人员根据索网节点坐标数据以及单元的安装尺寸要求，采用参数化设计方法，准确高效地给出每种单元的尺寸数据，将构件数量达上百万件的单块子单元的表面精度最终能够控制在1毫米以内。正因为如此，4450个反射面每一个都可以进行对焦，灵敏度可达Arecibo望远镜的2倍，巡天速度是它的10倍。

创新核心“天眼”

而作为馈源接收机的安装平台的馈源舱，相当于FAST的“眼睛”，是一个集多种技术于一体的光机电一体化复杂综合系统。而“馈源舱”及舱停靠平台的研制任务，正是54所在FAST工程中承担的另一重要系统任务。

“馈源舱作为FAST核心部件，‘天眼’捕捉的信号将全部聚焦到馈源舱并由其接收。但馈源舱被六根柔性支撑索悬吊于空中，精确控制其位置难度极大。”该所高级工程师、FAST工程馈源舱系统总设计师李建军介绍，经过创新多项精调软件和硬件，项目最终可以实现在风力干扰下，将馈源舱实时定位精度控制在毫米级。

此外，54所研发的馈源舱还在保证刚度基础上，取得了轻量化的突破，自重仅为13吨。结合超高电磁屏蔽效能和动态测量标定技术，最终实现FAST空前的灵敏度。

“舱停靠平台在去年11月安装完毕，同时安装的还有一个与正式馈源舱相仿的代舱。”李建军介绍，正式馈源舱正在紧张生产，预计本月底进行现场安装。而按照施工计划，2016年9月FAST有望投入使用。