“中國天眼”凝聚中國制造

洪大禹

【摘要】：FAST是世界最大單口徑射電望遠鏡，于2016年9月25日在貴州省平塘縣落成啟用。落成啟用當天，習近平總書記在賀信中指出，500米口徑球面射電望遠鏡被譽為“中國天眼”，是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。它的落成啟用，對我國在科學前沿實現(xiàn)重大原創(chuàng)突破、加快創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】：FAST、創(chuàng)新、中國制造

作為世界上最大的單口徑巨型射電望遠鏡，F(xiàn)AST直徑500米，高差173米，從空中俯瞰，就像一口由群山環(huán)抱的“超級大鍋”。“鍋面”——巨大的球冠形反射面;“鍋”正中央懸空的“盒子”——饋源艙;支撐“鍋”的無數(shù)道線——索網(wǎng)等支撐結(jié)構(gòu)。一點一面多線，牢牢撐起了這個龐然大物。與此同時，F(xiàn)AST還保持著國際一流的靈敏度和綜合性能。它的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)會隨著天體的移動自動變化，帶動鋼索網(wǎng)上活動的4450個反射面板產(chǎn)生變化，使得FAST保持足夠的靈敏度。

美國阿雷西博望遠鏡的饋源平臺重達1000噸，幾乎等于用固定軌道把平臺架設(shè)在半空，這樣的設(shè)計有利于饋源的定位，卻縮小了觀測角度。國家天文臺副臺長鄭曉年說，中國“天眼”采取了輕型索支撐饋源平臺方案，把饋源艙減重到30噸，覆蓋天頂角是美國望遠鏡的兩倍，并通過并聯(lián)機器人二級調(diào)整，最終在降低建造成本的同時，實現(xiàn)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(nèi)抗6.6萬次拉伸、信號衰減小于0.1dB，而國家標準僅為1000次、0.2dB，國外相關(guān)技術(shù)被封鎖。饋源支撐系統(tǒng)副總工程師潘高峰說，參與研制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(chǎn)線全部飽和，一條生產(chǎn)線每天產(chǎn)能40千米，每次為生產(chǎn)200米的試驗光纜，來回調(diào)整配方工藝要耽誤兩天。光纜試驗一次周期長達數(shù)月，林中教授不僅為設(shè)計提供大量技術(shù)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數(shù)據(jù)。

“經(jīng)過多次試驗，花費4年時間，最終用在‘天眼’上的動光纜可經(jīng)受反復彎曲、卷繞和扭轉(zhuǎn)等機械性能和惡劣自然環(huán)境考驗，滿足了設(shè)計需求，但項目預算的研制經(jīng)費只有300萬元?！?00米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(yè)和科研單位，都首先從社會責任出發(fā)支持大科學工程，把經(jīng)濟效益放在其次。

“天眼”工程是一套復雜的系統(tǒng)工程，除了反射面、饋源艙和接收機等核心系統(tǒng)，還包括龐雜的綜合布線工程和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。“高靈敏度”、“更多來自宇宙的訊息”也意味著海量數(shù)據(jù)存儲和復雜的計算要求。

中國“天眼”作為射電天文學界的重要突破，其對數(shù)據(jù)存儲與計算的需要同樣也是“天文級”的。短期內(nèi)“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(wù)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”，將其探測到的未知信息處理成人類可解讀的內(nèi)容。據(jù)曙光公司總裁歷軍透露，超算系統(tǒng)全部建成后，將以更高效能的數(shù)據(jù)存儲、分發(fā)、計算和分析全力支撐“天眼”高靈敏度、高性能的天文觀測。

中科院國家天文臺臺長嚴俊說，中國“天眼”的研制和建設(shè)，體現(xiàn)了我國自主創(chuàng)新能力，由最初不到5人的研究小組發(fā)展到上百人的團隊，工程建設(shè)凝聚了國內(nèi)100多家單位的力量，實現(xiàn)了我國大科學工程由跟蹤模仿到集成創(chuàng)新的跨越，將為我國射電天文多個研究領(lǐng)域和自然科學相關(guān)領(lǐng)域提供重大發(fā)現(xiàn)的機會。

FAST規(guī)模之大、精密度之高、視野之廣，綜合體現(xiàn)了中國高技術(shù)創(chuàng)新能力。其建造工程從前期選址到設(shè)計研發(fā)、后期維護都由中國科學家完成。FAST選址始于1994年，科學家們前后考察400余處，最終選定貴州省大窩凼洼地。此后，F(xiàn)AST的創(chuàng)意經(jīng)過10多年反復錘煉，其間對主動反射面、光機電一體化的饋源支撐系統(tǒng)、高精度的測量與控制、接收機等多項關(guān)鍵技術(shù)開展了長達14年的合作研究，凝聚了來自多家科研單位的眾多中國科學家的創(chuàng)新研究。

建成啟用后的FAST，在探測宇宙中的遙遠信號和物質(zhì)方面，將成為對脈沖星、類星體等各種暗弱輻射源進行精密觀測的利器，有助于解答宇宙初始混沌、暗物質(zhì)分布與大尺度結(jié)構(gòu)以及星系演化等領(lǐng)域的謎團。同時，在深空探測、脈沖星自主導航、高分辨率微波巡視和太空天氣預報等方面，也將發(fā)揮重要作用。除了單向接收宇宙信號之外，F(xiàn)AST也具備提供星際間的深空通訊能力。如果有人類航天器飛到遠至太陽系外緣行星，仍然能夠通過FAST和地球聯(lián)系上。