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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鏡——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）的最后一塊反射面單元3日成功吊裝，這標志著(zhù)FAST主體工程順利完工。這只“觀(guān)天巨眼”預計于今年9月全部竣工，開(kāi)始探索宇宙深處的奧秘。據介紹，FAST突破了射電望遠鏡的百米極限，它擁有30個(gè)足球場(chǎng)大的接收面積，與號稱(chēng)“地面最大的機器”的德國波恩100米望遠鏡相比，靈敏度提高約10倍。它將在未來(lái)10至20年保持世界一流設備的地位。
揭秘
“超級天眼”既是中國制造更是中國創(chuàng )造
日在貴州平塘架設完成的500米口徑球面射電望遠鏡，猶如一只瞄向外太空的 “超級天眼”。數千科學(xué)家、工程師和建設者們深扎山谷，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(shū)寫(xiě)中國創(chuàng )造
“在這里，再高的吊車(chē)也望塵莫及、再長(cháng)的臂手也鞭長(cháng)莫及！”回顧建設歷程，國家天文臺500米口徑球面射電望遠鏡工程總工藝師王啟明對記者說(shuō)，射電望遠鏡的建設施工量比不上機場(chǎng)或高鐵站，但極其特殊的地形條件卻帶來(lái)巨大的施工難度，高度、跨度、坡度、斜度讓常規機械設備在這里顯得無(wú)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一個(gè)既穩定又靈敏的超級“天眼”，科學(xué)家和工程師們費足了腦筋，不斷探索，最終“索網(wǎng)”結構勝出，它既能穩定支撐，又能讓“天眼”工作時(shí)跟隨天體轉動(dòng)，跟蹤掃描射電源。
中國大射電望遠鏡的索網(wǎng)是目前世界上跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結構，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(shuō)，反射面單元面板將固定在上萬(wàn)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“凼”底，供車(chē)輛和人員維護設備時(shí)通行。走入望遠鏡底部，索網(wǎng)猶如一個(gè)由鋼索織就的巨大“網(wǎng)兜”，緊緊支撐和保護著(zhù)反射面板。
精益求精追逐“毫厘標準”
中國大射電望遠鏡的目標，是把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)的信號，聚集在藥片大小的空間里，如不如此，就無(wú)法監聽(tīng)到宇宙中微弱的射電信號。龐然大物卻要實(shí)現毫米級精度，挑戰前所未有。
“這里不僅有施工監理，還有專(zhuān)門(mén)的材料監造，就是確保每一個(gè)用材都能毫厘不差。”王啟明說(shuō)，十幾米長(cháng)的索，誤差不準超過(guò)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。大連華銳重工集團高級工程師武榮陽(yáng)說(shuō)，觀(guān)測天體時(shí)因為地球有自傳，需要補償地球自轉。饋源艙直徑13米，位姿精度誤差不能超過(guò)48毫米，角度不超過(guò)1度。
“六根索拉著(zhù)饋源艙移動(dòng)，48毫米的位姿精度仍不能確保望遠鏡指向精準。”中國電子科技集團第五十四研究所高級工程師鄭元鵬說(shuō)，饋源艙內安裝了并聯(lián)機器人用于二級調整，最終調整定位精度為10毫米。
要能靈敏觀(guān)測浩瀚星空，拼裝面板子單元邊界的精準定位是首要問(wèn)題?？蒲腥藛T為此專(zhuān)門(mén)設計的定位夾具，它能對每塊面板的水平位置以及軸向高度進(jìn)行精準定位，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(méi)有經(jīng)驗可借鑒，望遠鏡建設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(wú)數次失敗，失敗了重來(lái)，再失敗再重來(lái)，每一道關(guān)卡都要經(jīng)過(guò)千錘百煉的反復試驗。
“90后”年輕的反射面吊裝技術(shù)指導張曉佳來(lái)自武船重工集團，他說(shuō)，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(wàn)別。大跨度纜索吊裝，吊具要經(jīng)過(guò)反復設計、比對和試驗，才能確保嚴絲合縫。
宇宙空間混雜各種輻射，遙遠的信號就像雷聲中的蟬鳴，沒(méi)有超級靈敏的耳朵就分辨不出來(lái)。武榮陽(yáng)說(shuō)，為了確保望遠鏡不受到任何磁場(chǎng)的干擾，僅對施工設備的電磁防護就花了半年多時(shí)間做試驗，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跑出去”，反復試驗是為了確保萬(wàn)無(wú)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(shuō)，中國大射電望遠鏡創(chuàng )造了很多奇跡，更體現了我國自主創(chuàng )新能力，推動(dòng)我國在天線(xiàn)制造技術(shù)、微波電子技術(shù)、并聯(lián)機器人、大跨度結構、公里范圍高精度動(dòng)態(tài)測量等眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展。
釋疑
尋找地外文明的幾率提升5至10倍
為什么在貴州山區建“天眼”？
1993年國際無(wú)線(xiàn)電聯(lián)大會(huì )上，包括中國在內的10國天文學(xué)家提出建造新一代射電“大望遠鏡”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，北京天文臺聯(lián)合國內20余所大學(xué)和研究所，成立了射電“大望遠鏡”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(xiàn)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，提出獨立研制一臺新型的喀斯特單元，即500米口徑球面射電望遠鏡。
為了給新一代射電“大望遠鏡”安家，科學(xué)家們通過(guò)衛星遙感把貴州喀斯特山區翻了個(gè)遍。中國科學(xué)院國家天文臺研究員、500米口徑球面射電望遠鏡工程副經(jīng)理彭勃回憶說(shuō)，當時(shí)天文臺委托兩家院所進(jìn)行獨立搜尋，從300多個(gè)候選洼坑中遴選。結果，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)勢在哪兒？
無(wú)論是置身大射電望遠鏡邊上，爬上附近山頂的觀(guān)景臺，還是通過(guò)虛擬現實(shí)視頻，你都能直觀(guān)感受它的第一特點(diǎn)——大?？茖W(xué)家們形容它是一座“觀(guān)天巨眼”。
中國科學(xué)院國家天文臺500米口徑球面射電望遠鏡工程總工藝師王啟明說(shuō)，僅圈梁、索網(wǎng)和支撐饋源艙的6座高塔就用掉1萬(wàn)多噸鋼材。
但大射電望遠鏡絕不是金屬堆砌的“傻大粗”，它是最精密的天文儀器。由于采用光機電一體化的饋源平臺，加之饋源艙內的并聯(lián)機器人二次調整，它在饋源與反射面之間無(wú)剛性連接的情況下，可實(shí)現毫米級指向跟蹤，確保精確地聚集和監聽(tīng)宇宙中微弱的射電信號。
“我們的最初設計理念源自美國阿雷西博望遠鏡。但跟阿雷西博相比，主動(dòng)反射面系統是我們最大的創(chuàng )新。”彭勃說(shuō)，大射電望遠鏡的索網(wǎng)結構可以隨著(zhù)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(guān)測效率。
阿雷西博望遠鏡是固定望遠鏡，只能通過(guò)改變天線(xiàn)潰源的位置掃描天空中的一個(gè)約20度的帶狀區域。而主動(dòng)反射面讓中國大射電望遠鏡擁有更廣的觀(guān)測范圍，能覆蓋40度的天頂角。
能否找到地外文明？
“跟其他射電望遠鏡一樣，中國大射電望遠鏡最主要的兩大科學(xué)目標是巡視宇宙中的中性氫和觀(guān)測脈沖星，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)結構與物理規律。”中國科學(xué)院國家天文臺副臺長(cháng)鄭曉年說(shuō)。
半個(gè)多世紀以來(lái)，全世界所有射電望遠鏡收集的能量尚翻不動(dòng)一頁(yè)紙，中國大射電望遠鏡的加盟將大大加快這一速度。而收集的能量，意味著(zhù)解讀宇宙深處奧秘的信息量。“從射電望遠鏡誕生至今，人類(lèi)共發(fā)現了約2500顆脈沖星，如果中國大射電望遠鏡的工作時(shí)間全部用于觀(guān)測脈沖星，它一年時(shí)間內就有望將這個(gè)數量翻倍。”彭勃說(shuō)，脈沖星可以用于脈沖星導航、脈沖星計時(shí)陣等應用目標。
彭勃說(shuō)，科學(xué)家利用阿雷西博望遠鏡發(fā)現引力波，并獲得諾貝爾物理學(xué)獎，中國大射電望遠鏡則為自然科學(xué)特別是物理學(xué)相關(guān)領(lǐng)域提供了重大發(fā)現的機會(huì )。
“針對大眾十分關(guān)心的大射電望遠鏡能否用于尋找地外文明，答案是肯定的。”彭勃表示，它是探測系外行星尤其是類(lèi)地行星的利器。由于靈敏度提高，它能看到更遠、更暗弱的天體，通過(guò)探測星際分子、搜索可能的星際通訊信號，尋找地外文明的幾率比現有設備提升了5至10倍。
在7月3日饋源艙升艙和反射面板按計劃完成安裝后，大射電望遠鏡將進(jìn)行2個(gè)多月的系統調試，于9月底正式竣工投入使用。但要實(shí)現所有功能參數最優(yōu)化，它還要在兩三年的觀(guān)測中不斷調試完善。
“大射電望遠鏡建成后將成為中國天文學(xué)研究的‘利器’，在未來(lái)10至20年保持世界一流設備的地位。”鄭曉年說(shuō)，“希望中國科學(xué)家盡快利用它出成果。”
