互动科普

撰文/施小安   图片/袁维盛

打造巨型天眼

1993年，在第24届国际无线电科学联盟(URSI)京都大会上，包括中国在内的10国科学家提出了建造大射电望远镜阵（SKA）的计划，自此，各国研究团队开始巨型射电望远镜工程的概念研究；1994年，中国天文学家提出了在贵州喀斯特洼地中建造500米口径球面射电远镜FAST的建议和工程方案。

自1994年开始，FAST选址小组就开始现场考察，绘制峰距在300～600米的峰丛洼地分布图，分析了近400个洼地，制作了90个候选洼地的高分辨率（5米/像素）数字地形模型（DTM）图像，进行洼地周边电磁波环境监测以及水文、工程地质勘察，经过多次对比，直到2006年，才最终选定贵州省平塘县大窝凼洼地作为FAST工程台址。同时，以中科院国家天文台为核心，联合国内20余所大学和研究所对FAST的关键技术开展了长期的攻关和合作研究。

FAST工程经过长达15年的预研和选址后，于2011年3月开工。集国内众多行业智慧，借力于国内顶尖设计、制造、建设团队，历时两年，对复杂的喀斯特洼地台址进行开挖，修建道路和系统排水工程，同时保证良好的边坡稳定性，为望远镜提供良好的建造环境。如今，FAST望远镜已整体进入设备安装阶段，支撑反射面的大型桁架钢结构圈梁以及柔性索网工程安装已完成，同时，支撑、牵引馈源的柔性索驱动系统已基本完成并进入调试阶段，而馈源舱以及高精度接收机等也完成设计并开始制造，

FAST采用全新的工程概念，在与反射面相近的天然喀斯特洼坑中建造口径500米，面积约30个足球场地的高灵敏度、高分辨率望远镜。它的形状是一个大球缺，就像一个大碗坐落在山洼中。很难一次性制造出如此巨大、高精度的球面反射面板，只能将其划分成多个面板单元，通过精准定位、组合装配成我们所需要的形状。划分单元尺度越小，整个反射面形状误差越小，同时成本也越高。FAST经过了模拟、计算优化，将反射面拆分成4000多块边长11米的三角形单元面板，既满足反射面拟合误差要求，又能适当控制成本。

FAST采用整体索网结构支撑反射面板单元，简单地说，就是用6000多根柔性钢索连接，编织成一个与反射面形状一致的“网兜”，索网的网孔刚好是边长11米的三角形，每个网孔安装一个面板单元。同时，在索网的每个节点上均安装一个液压缸，通过控制液压缸活塞杆的伸缩来调节索网的形状，也就是反射面的形状。

图. 大型桁架钢结构圈梁以及柔性索网工程安装完成，6000多根钢索编织成“网兜”，三角形的反射面板单元镶嵌在这些网格中。

一般情况下，射电望远镜都是抛物面形状的。天体发出的电磁波，经过抛物面反射，能将电磁波汇聚到一个点上。而普通球反射面，却只能将电磁波反射到一条线上，需要经过馈源内复杂的二次、三次镜面反射，才能将球面反射来的信号再次汇聚到一点上，美国的阿雷西博望远镜就是一个固定球面的望远镜，采用的就是这种复杂的聚焦方式。而FAST不一样，通过高精度测量及控制手段可以调节索网的形状，能在反射面上形成“瞬时抛物面”。天体发出的信号经该区域面板反射，可直接汇聚到焦点，从而简化了整个馈源结构。

为使重达30吨的馈源平台能在140多米的高空中，准确无误地移动到焦点，FAST利用自主创新的柔性索支撑系统；在反射面外侧一圈均匀布设6个一百多米高的铁塔，每个铁塔上挂一根直径50毫米的柔性钢索。钢索一端连接到望远镜中心的馈源平台，另外一端则缠绕在支撑塔下方机房内的卷筒上。控制机房内的电机，驱动卷筒正、反转，收紧或者放松钢索。当望远镜工作时，通过精密控制，6根钢索同时收紧，将馈源从地面提升到所需高度，而钢索之间的伸缩配合，可跟踪天体的位置，调整馈源在空中的位置、姿态，实现粗定位。通过控制馈源平台上的并联机器人Stewart平台，可最终精确调整馈源的姿态，其定位绝对坐标精度高于4毫米，定向角度误差不大于4″，最大跟踪速度达到11.6毫米/秒。

工作时，FAST通过整体控制，在正对天体的反射面上形成直径300米的瞬时抛物面区域，天体的辐射照射到该区域内，经过反射汇聚到接收机；当天体位置变化时，该抛物面区域在整个球面上相应移动，同时，调整馈源位置，使其在焦面上运动到相对应的点，达到跟踪观测天体的目的。随着地球的自转，望远镜能观测到的天区是一条带，天区两个极限位置的夹角，叫天顶角，天顶角越大，观测的天区带越宽；另一方面，可持续跟踪观测同一天体的时间也就越长；换句话说，望远镜可看到的天体也越多。FAST最大天顶角达到50°，拥有较强的天空覆盖能力。

FAST与德国波恩100米口径射电望远镜相比，其灵敏度提高约10倍；与美国口径305米的阿雷西博望远镜相比，综合性能提高约10倍。作为世界最大的单天线望远镜，FAST将在未来20～30年保持世界一流的地位。

日前，反射面板开始吊装，不久的将来，FAST这个矗立群山丛中的巨人将睁开“天眼”，凝视遥远的天空。

（本文发表于《科学世界》2015年第9期）