互动科普

FAST的球面反射面直径（口径）500米，周长约1.6千米。整个反射面的面积约为25万平方米，相当于三十多个标准足球场的大小。反射面的球面直径是600米，也就是说整个反射面相当于是从直径600米的球面上切下来的一个球冠，这个球冠的高度约为130米。远远看去，FAST就像一口无比巨大的锅，如果把这口锅装满水，那么全球73亿人每人都能分到将近2升！

这个巨大的反射面并不像通常的雷达天线那样是一个坚固的整体，而是由一块块小的单元面板安装在一个庞大的柔性索网结构之上组成的。下面我们就来仔细看一看它的结构。

最上面“锅沿”部位的那一圈钢梁称作圈梁，为桁架（由一根根直杆互相连接组成三角形单元结构）形式，内圈直径约500米，高5.5米，宽11米。整个圈梁由50根几米到几十米高的支撑柱支撑在空中。圈梁的主要用途就是悬挂承担着整个FAST反射面的索网。另外，圈梁上方铺设有轨道，施工的设备可以在轨道上移动。

圈梁合拢后，开始索网的安装。由于FAST反射面在工作时要经常变形，而这都是通过索网的拉伸来实现的，因此索网所受的应力也会经常变化，材料的抗疲劳特性很重要。FAST的索网材料是专门研制的高碳钢，具有高弹性、抗拉伸、抗疲劳的特点，抗疲劳的关键指标达到国家标准的2.5倍。

整个索网共有6670根拳头粗细的主索、2225个主索节点及相同数量的下拉索。这是世界上跨度最大、精度最高的索网结构。全部索结构都是在空中拼装的。安装完成后，这张总重量约1300吨的球冠状大网就悬挂在了圈梁上。

接下来，再将4450块单元面板安装到索网上，形成我们所看到的大锅一样的反射面。这些单元面板绝大部分是三角形的，在靠近“锅沿”的边缘部分有一些异形的面板。每块单元面板的边长为11米左右，重四五百千克，由背架、连接关节、调整螺栓和面板组成，其中，反射面板的厚度只有1毫米多。背架的顶点上装有连接关节，通过这些关节将其悬挂在主索网的节点盘上。背架和面板之间通过调整螺栓连接。面板的安装精度要求达到毫米级，这样才能有效地汇聚入射的射电波。

虽然4450块单元面板大体上都是三角形的，但随着在望远镜反射面上所处位置的不同，形状有所差异，弧度也不一样，具体可以分为几百种类型。每一块单元面板都是独立编号的，安装在固定的位置，相互之间不能替换。每一块三角形单元面板又包含着100块更小的三角形，所以整个反射面是由四十多万块小三角面板组成的。这些小三角形的形状也不完全相同，而是与单元面板的形状有关。

反射面板使用的材料是铝。一般来说，导电性能好的金属材料，都可以很好地反射无线电波。铝的优点，一是轻，对于体量如此巨大的望远镜来说，这是非常重要的一点；二是铝的表面形成一层氧化膜而钝化后，不易腐蚀。FAST反射面板的表面就采用阳极氧化的方法镀上了一层致密的氧化铝，提高了耐腐蚀性能。

图1. FAST望远镜的建设过程

1994年4月，开始选址工作。2011年3月25日，正式开工建设，开始台址开挖。2013年12月31日，环形支撑圈梁合拢。2015年2月4日，大跨度索网安装完成。2016年7月3日，反射面板安装完成。2016年9月25日，工程竣工。图/FAST

透光的反射面

从上方看下去时，这口“大锅”似乎是一面银色的反光镜，不会漏过一点光线。但是，站在反射面的背面，透过面板仰望天空时，却会发现面板是半透明的。实际上，这些铝制的面板并不是一块完整的金属板，而是密布着一个个5毫米直径的孔洞，相当于面板的一半面积是空的，具有50%的透光率。这首先能大大减轻重量。另外，有风的时候，气流能从这些孔洞穿过，对整体结构造成的压力就会小得多。同样，下雨时，雨水会很快从孔洞和单元面板之间的缝隙中漏下来，而不会积存在反射面上。此外，因为半透明的面板依然会透过阳光，这样望远镜下面的草和灌木可以照常生长，起到固定土壤的作用，避免水土流失。

这些孔洞并不会影响到接收信号的效果，因为它们的直径远小于FAST所观测的电磁波的最短波长。根据理论计算，具有5毫米直径孔洞的面板对于FAST所要观测的波长范围内的电磁波可以形成有效的反射。

图2. FAST望远镜反射面板是半透明的（上图）。在近处观察，可以看见面板上密布着直径5毫米的孔洞（下图）。

（本文发表于《科学世界》2016年第10期）