互动科普

FAST的全称是“500米口径球面射电望远镜”，这表示反射面的最大口径是500米，而且是球形的。但是当来自远方的射电波平行入射到球面反射面上时，不同入射点的射电波反射后会聚焦在一条直线上，不利于信号的收集。FAST通过巧妙的设计，在实际观测时，通过使柔性的索网变形，可以将球面反射面变形为有效口径300米的抛物面，这样，入射的射电波就能够汇聚到一点，也就是抛物面的焦点上。更有意思的是，根据观测目标的方向，可以利用500米口径球形反射面的不同部位，形成朝向不同方位的300米有效口径的抛物面，同时，将信号接收设备（馈源）移动到相应抛物面的焦点位置，就可以接收信号了，就像转动眼球凝视不同的目标。这样，FAST就不单单能观测正上方的那块区域，而是能扫描很大的天区。

这个神奇的功能是如何实现的呢？远远望去，索网的背面有很多白色的细线，沿着反射面的径向方向拉着索网。反射面变形的秘密就在这里。这一根根白色细线实际上是一根根金属杆，叫做“下拉索”，上端连接着索网的节点盘，下端连接着带有电机的促动器，再通过地锚固定在地面或周围的山体上。每一个节点盘是6块三角形单元面板的交点。通过促动器上电机的动作，可以精密地控制下拉索的伸缩，调整节点盘点位置。整个索网上的2225个节点盘后面都连接着下拉索促动器，当这些促动器在计算机的控制下以不同的幅度伸长或缩短下拉索时，整张网就会变形，这样，反射面就可以“转动”，指向不同的天区了。

图1. 图中反射面背面那些斜拉着的白色细线就是下拉索，每一根下拉索都可以通过促动器来调整长度。

阿雷西博射电望远镜是300米级别的球面反射面，而且是固定的，无法变形。它也可以利用球面的不同部分观测不同的天区，但因为空中的馈源只能小范围移动，因此天顶角只有20°，也就是只能覆盖天顶正负20°的范围。而且，由于球面是把射电波汇聚在一条直线上，所以需要在馈源舱中设计一套复杂的多次反射系统，把信号汇聚到一点。因此，它的馈源舱结构复杂，重达上千吨。相比之下，由于采用了主动反射面技术，FAST可以覆盖的天顶角达到了40°，观测精度也要高得多，而且可以直接使用传统的馈源和接收机，它的馈源舱只有30吨。如果是采用阿雷西博望远镜的结构，那么FAST的馈源舱重量将达到上万吨。

FAST所在的纬度是北纬25.6°左右，它能覆盖40°的天顶角，那么随着地球的自转，FAST就可以观测到天球上赤纬-14.4°～65.6°这个范围内的天区。

精确测控反射面的精度

FAST反射面的拟合精度要求控制在2毫米。那么，我们如何才能知道反射面变形后形成的瞬时抛物面的形状是否完美？这就要靠一套精密的测控系统来判断。

在整个反射面上，分布着25个测控点。从每个测控点用光学测距仪器向对面的一块区域发射出激光，检测那块区域中索网节点盘上靶标的位置。不同测控点所覆盖的区域有所重叠，综合这些信息就可以判断索网（反射面）的形状是否正确。另外还有测控点可以检测上方的馈源舱的位置。

仔细观察的话，可以发现索网上每个节点盘的正面（朝上的一面）都有一个小小的银白色金属物体，这就是靶标。测控点发出的激光被这些靶标反射回来，从而可以精确地确定每一个节点盘的位置。

每个节点盘后面的促动器都通过光缆与控制室连接。计算机可以根据测控系统的数据，自动通过2225个促动器来精确调整反射面的形状。

图2.下拉索促动器的特写。一端通过地锚固定在地面，另一端连接着节点盘。每一个促动器都可以在计算机的控制下独立动作，伸长或缩短下拉索。

可以在空中移动的馈源舱

馈源和接收机是用来接收、处理反射面收集到的射电信号的装置，安放在馈源舱中。将接收到的射电信号转换为电信号，数字化之后就变成天文学家可以进行分析、研究的观测数据。馈源舱中还装有制冷机，可以让相关设备在几十K的低温下工作，以减少噪声。

FAST通过反射面变形而形成的瞬时抛物面是经常变化的，焦点的位置也会随之改变。这些焦点在反射面上空形成了一个焦面，这是一个直径二百多米的球冠面。因此，需要有一套专门的系统控制馈源舱在焦面上移动，到达与当时的瞬时抛物面对应的焦点上，并朝向这个抛物面。这就是FAST的馈源支撑系统，主要包括支撑塔、索驱动、馈源舱、舱停靠平台。

在FAST主反射面的外侧，分布着6个巨大的铁塔，每个塔的顶部海拔高度都是1108米，这就是馈源舱的支撑塔。从这6个支撑塔伸出6条钢索，把30吨重的馈源舱吊在海拔970米左右的空中。每个塔的下面都有一个机房，里面安装着收放钢索的卷扬机。通过计算机控制6条钢索的伸缩，就可以调整馈源舱在空中的位置和角度，让它与瞬时抛物面的位置和角度匹配。

因为馈源舱是悬挂在空中的，对它的稳定性影响最大的就是风。索驱动系统可以将馈源舱很精确地定位，误差只有48毫米，这个误差主要就是气流造成的。在馈源舱里还有一个六杆并联机器人（Stewart平台）稳定系统，可以识别馈源的位置、姿态，自动调整六条液压支撑杆的长度，将定位精度进一步提高到4毫米。对于重30吨，用钢索悬挂在空中，可以在200米左右的范围内运动的馈源舱来说，这样的定位精度是非常高的。

图3. 用6条钢索悬挂在半空中的馈源舱

悬挂在空中的馈源舱重30吨，一旦发生事故，例如钢索断裂，后果不堪设想。所以，除了精确、稳定之外，保障安全性是馈源支撑系统的另一个重点。例如，系统的制动器共有3级，一旦出现问题，整个系统可以联动进行制动。又如，虽然FAST所在的地区很少下雪，但冬季偶尔下冻雨还是有可能使得馈源舱和钢索结上浮冰，重量大增，刮风也会增加钢索的负荷，所以在设计时就要充分考虑这些额外的因素。

我们都知道，用一个手掌大的放大镜汇聚阳光，就可以点燃火柴、烧穿纸张。那么，馈源舱位于巨型反射面的焦点上，那里的温度会不会比太阳灶还要高？首先，反射面板是带孔的网状，而且它的金属部分并不是镜面，所以不会将太多可见光、红外线等汇聚到焦点上。其次，对于所观测波段的宇宙天体信号来说，其信号很弱，能量非常低（所以才需要这么大的反射面），也不会因聚焦而产生高温。当然，这个反射面太大了，还是免不了会产生一定的“太阳灶”效应。但分析表明，即使是在夏至的中午前后，在馈源舱防护罩的保护下，馈源舱的最高温度也不会超过50℃。

FAST的科学目标包括：观测宇宙中以至宇宙边缘的中性氢，研究宇宙大尺度物理学，探索宇宙的起源和演化；发现、观测脉冲星，研究极端状态下的物质结构与物理规律；探测星际分子；搜索可能的地外文明信号；FAST还将与其他射电望远镜组成甚长基线干涉网，以获得宇宙天体的超精细结构。让我们一起期待这个世界上最大、最先进的射电望远镜为我们揭开更多关于宇宙的秘密。

（本文发表于《科学世界》2016年第10期）