科學新知/「天眼」工程裡的大陸創造

這是6月30日拍攝的500公尺口徑球面射電望遠鏡工程反射面板的局部。

被譽為『大陸天眼』的500公尺口徑球面射電望遠鏡,是具有大陸自主知識產權、最靈敏的射電望遠鏡。它的落成啟用,對大陸在科學前沿實現重大原創突破、加快創新驅動發展具有重要意義。

根據新華社報導,上世紀90年代,科學家們期望,在電波環境徹底被破壞之前,真正看一眼初始的宇宙,弄清宇宙結構的形成演化,推動相關科學研究的突破,只有大射電望遠鏡才能幫助人類實現這一夢想。

在這一背景下,大陸天文學家1994年提出利用貴州的喀斯特窪地建造大射電望遠鏡,形成了大陸『天眼』的最初設想。

從預研究到建成歷時22年,大陸老中青三代科技工作者克服了關鍵技術無先例可循、關鍵材料急需攻關、核心技術遭遇封鎖等困難,在射電望遠鏡口徑、靈敏度、解析度、巡星速度等關鍵指標上全面超越國際先進水平。

『20多年前的國家實力和工業技術很難支撐這麼大的望遠鏡專案。今天我們不僅做到世界第一大口徑,獨創主動反射面技術,還推動了天線制造、微波電子、並連線器人、大跨度結構等相關技術的發展。』從預研究就開始參與這一工程的500公尺口徑球面射電望遠鏡工程副經理彭勃說。

2010年8月,在『天眼』工程開工前夕,團隊接到哈爾濱工業大學傳來消息,前期做的所有索網實驗全都失敗了。『大陸國內頂級的應用於斜拉橋上的鋼索,標準強度是200兆帕、抗200萬次彎曲,用在「天眼」實驗上都斷了。』饋源支撐系統總工程師孫才紅說,按設計要求,「天眼」需要強度為500兆帕、抗200萬次彎曲的鋼索,這意味著把材料工藝提高到國標的2.5倍。

當時負責索網疲勞問題的是剛到天文台工作不久的博士生姜鵬,他立下『軍令狀』,經過一年半的艱苦技術攻關,完成了索網變位策略優化及疲勞性能評估工作,降低了索網的變位應力幅,與柳州歐維姆機械股份有限公司合作研置,最終生產出滿足要求的鋼索。

美國阿雷西博望遠鏡的饋源平台重達1000噸,幾乎等於用固定軌道把平台架設在半空,這樣的設計有利於饋源的定位,卻縮小了觀測角度。

國家天文台副台長鄭曉年說,大陸『天眼』採取了輕型索支撐饋源平台方案,把饋源艙減重到30噸,覆蓋天頂角是美國望遠鏡的兩倍,並透過併連線器人二級調整,最終在降低建造成本的同時,實現毫米級高精度定位。

但可變形的反射面和可牽引運動的饋源艙又帶來新問題,『天眼』信號傳輸用的光纜要能在5年內抗6.6萬次拉伸、信號衰減小於0.1dB,而國家標準僅為1000次、0.2dB,國外相關技術被封鎖。

饋源支撐系統副總工程師潘高峰說,參與研製光纜的是烽火通信科技股份有限公司和北京郵電大學林中教授團隊。當時烽火通信的生產線全部飽和,一條生產線每天產能40千公尺,每次為生產200公尺的試驗光纜,來回調整配方工藝要耽誤兩天。光纜試驗一次周期長達數月,林中教授不僅為設計提供大量技術研究,為確保試驗周期不中斷,除夕夜還堅持去實驗室記錄試驗資料。

『經過多次試驗,花費4年時間,最終用在「天眼」上的動光纜可經受反覆彎曲、卷繞和扭轉等機械性能和惡劣自然環境考驗,滿足了設計需求,但專案預算的研製經費只有300萬元(以人民幣計算,以下同)。』500公尺口徑球面射電望遠鏡工程總工藝師王啟明說,還有很多參建企業和科研單位,都首先從社會責任出發支援大科學工程,把經濟效益放在其次。

『天眼』工程是一套複雜的系統工程,除了反射面、饋源艙和接收機等核心系統,還包括龐雜的綜合布線工程和資料處理系統。『高靈敏度』、『更多來自宇宙的訊息』也意味著海量資料存儲和複雜的計算要求。

大陸『天眼』作為射電天文學界的重要突破,其對資料存儲與計算的需要同樣也是『天文級』的。短期內『天眼』的計算性能需求至少需達到每秒200萬億次以上,存儲容量需求達到10PB以上。而隨著時間推移和科學任務的深入,其對計算性能和存儲容量的需求將爆炸式增長。

由曙光公司打造的超算中心的接入,就像是給『天眼』連接上了計算『大腦』,將其探測到的未知資訊處理成人類可解讀的內容。

據曙光公司總裁歷軍透露,超算系統全部建成後,將以更高效能的資料存儲、分發、計算和分析全力支撐『天眼』高靈敏度、高性能的天文觀測。

中科院國家天文台台長嚴俊說,大陸『天眼』的研製和建設,體現了大陸自主創新能力,由最初不到5人的研究小組發展到上百人的團隊,工程建設凝聚了國內100多家單位的力量,實現了大陸大科學工程由跟蹤模仿到集成創新的跨越,將為大陸射電天文多個研究領域和自然科學相關領域提供重大發現的機會。


工作人員在安裝500公尺口徑球面射電望遠鏡最後一塊反射面板(7月3日攝)。


這是7月3日拍攝的已經完成最後一塊面板安裝的500公尺口徑球面射電望遠鏡工程。


這是群山之中的FAST工程(9月24日攝)。


這是群山之中的FAST工程(9月25日攝)。


FAST工程饋源艙(9月24日攝)。


FAST工程反射面板(9月24日攝)。


FAST專案一景(9月25日攝)。


這是群山之中的FAST工程(9月24日攝)。


在反射面板內部拍攝的FAST一景(9月25日攝)。