作者:高长安 庄芳 来源:中国科学报 发布时间:2015/10/19 10:30:29
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FAST:用创新“拼”成“第一天眼”

 

■本报记者 高长安 通讯员 庄芳

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。

《中国科学报》 (2015-10-19 第4版 综合)
 
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