中國“天眼”

郭紅峰

“中國天眼”是一架500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，縮寫FAST），是目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。“天眼”是她的昵稱，因為她能夠從地球上一直“看”到宇宙深處，甚至探測到宇宙形成初期的微弱信息。

FAST是一個大膽的創(chuàng)意。首先，中國此前并沒有建造大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)驗;其次，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡比當(dāng)時世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡（阿雷西博）的口徑還要大200米。

這可不是簡單的增大口徑，因為口徑的增大意味著重量急劇增加，為此產(chǎn)生的加工、支撐、運(yùn)轉(zhuǎn)、控制等方面的難度都直線上升。而采用傳統(tǒng)方法建造肯定是不行的，必須在設(shè)計上采用創(chuàng)新思路，在技術(shù)上采用創(chuàng)新應(yīng)用。

FAST第一大創(chuàng)新——選址

任何一個天文臺的建立，選址都是第一要務(wù)。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收的是可見光波段的信號（400～700納米段的波長），要求鏡面面型誤差是納米級的精度，普通的風(fēng)、沙等都會干擾接收信息。所以，一般光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)都封裝在鏡筒里，還要安裝在有圓頂和天窗的建筑里。射電望遠(yuǎn)鏡接收的是無線電波段的信號（波長從厘米到米波段的信號），對接收鏡面誤差的要求沒有光學(xué)望遠(yuǎn)鏡那么高，所以射電望遠(yuǎn)鏡的接收天線一般都安裝在露天。

一個500米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，如果安裝在平地，需要建立非常龐大的支撐機(jī)構(gòu)，這將是一項耗工、耗時、耗資巨大的工程。我國貴州地區(qū)的喀斯特地形既是天然洼地，又是天然漏斗，有良好的天然排水系統(tǒng)。另外，當(dāng)?shù)厝丝谙∈瑁瑹o線電污染少，便于建立無線電隔離區(qū)。

為了給FAST選出一個最好的臺址，F(xiàn)AST項目組除了人工實地勘察，還動用了當(dāng)時最先進(jìn)的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)。通過進(jìn)行計算機(jī)圖像分析和多學(xué)科的數(shù)據(jù)測量比對，項目組最后選定了貴州平塘大窩凼寶地。

FAST第二大創(chuàng)新——反射面變形

FAST500米口徑球面鏡是無法加工成一塊整鏡面的。FAST的主反射面設(shè)計為由4450個小鏡面單元（簡稱單元塊）拼接組成，每一個單元塊都是500米球面鏡形狀的一小部分，拼接后就組成了500米口徑的大型球面望遠(yuǎn)鏡的主反射面（大鍋）。

反射面的單元塊也不是簡單的一小塊面板，而是由框架、檁條和小面板等拼裝組成的構(gòu)件。由于反射面板單元塊在整體球面網(wǎng)格上所處的位置不同，其幾何尺寸、傾斜角度、支承點位置、荷載大小和方向都不相同。所以，在每個單元塊構(gòu)件的連接處，都裝有計算機(jī)控制的促動器，可施加不同的力調(diào)節(jié)各個小單元塊在整體布局上的幾何構(gòu)形，達(dá)到整體面型一致的精度要求。

正是有了這些可控制的單元塊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使得FAST500米口徑的球冠反射面不像阿雷西博那樣躺著不動，而是在其300米范圍內(nèi)可控地變換成40°天頂距范圍內(nèi)全方向可轉(zhuǎn)動的拋物面鏡。由此，這臺龐然大物就可以做阿雷西博式觀測（使用500米口徑，但不轉(zhuǎn)動，比曾經(jīng)的世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡300米級大了200米），又可以做全轉(zhuǎn)向式望遠(yuǎn)鏡觀測（使用300口徑轉(zhuǎn)動，比當(dāng)今世界最大全轉(zhuǎn)向射電望遠(yuǎn)鏡100米級大了200米）。

FAST第三大創(chuàng)新——饋源支撐與高精度定位

美國阿雷西博305米射電望遠(yuǎn)鏡的工作方式是主反射面不動，而控制接收器（饋源）移動。它用3座鐵塔撐起一套剛性背架，把饋源艙懸吊到反射面的焦點處，系統(tǒng)重達(dá)1000多噸。按照阿雷西博結(jié)構(gòu)計算，口徑若擴(kuò)大到500米，饋源艙懸吊背架系統(tǒng)將重達(dá)近萬噸，不僅難以實現(xiàn)，而且不易控制，造價也將是天文數(shù)字。

FAST項目組研制了一套創(chuàng)新方法：三級控制。第一級，用6個鐵塔拉住6根輕型柔索聯(lián)合施力，拖動饋源艙初步就位;第二級和第三級由饋源艙內(nèi)定位機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人共同控制，實現(xiàn)了饋源艙（載有19套接收機(jī)，焦點不盡相同）相對不同觀測目標(biāo)的高精度定位。

FAST輕型柔索驅(qū)動和高精度定位系統(tǒng)，是目前世界上在建的最大柔性牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)。其經(jīng)驗成果已經(jīng)在我國港珠澳大橋等新型大跨度橋梁建設(shè)中得以推廣應(yīng)用。

問題1：你看過真實的FAST望遠(yuǎn)鏡嗎？

問題2：

你能舉例說明FAST還有哪些先進(jìn)技術(shù)被采用嗎？

FAST成果及國際地位

FAST作為當(dāng)今國際上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，其一流的綜合性能和技術(shù)指標(biāo)，無疑為我國和世界科學(xué)研究領(lǐng)域提供了重要天文觀測利器，也為國際射電天文界帶來大發(fā)展的機(jī)遇。

FASTI程在技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域同樣成果卓著，對推動我國的天線制造技術(shù)、微波電子技術(shù)、并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)、大尺度結(jié)構(gòu)工程、大范圍高精度動態(tài)測量等相關(guān)科技領(lǐng)域的科技進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展都是大有裨益的。

問題請發(fā)郵件到郵箱chinahou@bao.ac.cn，記得要寫清你的聯(lián)系信息（姓名、學(xué)校、電話等）哦，我們會按照你的要求，及時回復(fù)的。