國家天文臺研究員、博士生導(dǎo)師、FAST調(diào)試組組長姜鵬

　　新浪財(cái)經(jīng)訊 CC講壇第22期于2017年12月3日在北京東方梅地亞中心M劇場舉行，國家天文臺研究員、博士生導(dǎo)師、FAST調(diào)試組組長姜鵬出席并演講。位于貴州大窩凼的“天眼”已開，這個(gè)地球最大的射電望遠(yuǎn)鏡有哪些最牛的科技創(chuàng)新？

　　以下為演講實(shí)錄：

　　我叫姜鵬，來自于FAST工程。我們現(xiàn)在的FAST工程是去建造一個(gè)世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，被喻為中國天眼。要介紹它得先了解一下射電天文的由來。其實(shí)厚厚的大氣層在兩個(gè)波段是透明的，一個(gè)就是可見光的波段，也就是我們視覺覆蓋的范圍，所以我們能夠看到太陽光照射在地上，然后我們?nèi)庋勰茏R別世間的千變?nèi)f化的物質(zhì)，同時(shí)我們也能分辨出五顏六色，我們視覺覆蓋范圍與這個(gè)窗口正好是重疊的，這也正好解釋了物競天擇、適者生存的道理。

　　我們在千百年來都是通過可見光窗口去觀測宇宙的，去看天文天體。例如古代的占星術(shù)，再如伽利略利用第一臺望遠(yuǎn)鏡看到了月球的環(huán)形坑。時(shí)至今日吧，光學(xué)天文也仍然是我們天文學(xué)的一個(gè)重要的分支。但是厚厚的大氣層其實(shí)還有另外一個(gè)窗口，就是不容易被我們察覺到，那就是無線電窗口。這個(gè)窗口的發(fā)現(xiàn)是源于一次偶然的發(fā)現(xiàn)，一個(gè)叫卡爾?央斯基的一個(gè)人，在1931年做一次雷達(dá)通訊實(shí)驗(yàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)一次24小時(shí)周期的干擾信號，然后在后面的一個(gè)小型的聽證會上，就有人指出了這可能是一個(gè)非地球起源。那隨后的觀測認(rèn)證，就證明了這屬于我們的銀河系中心。由此光學(xué)傳統(tǒng)的天文學(xué)揭開了它歷史的新一頁，就是射電天文學(xué)。

　　時(shí)至今日，射電天文學(xué)為我們貢獻(xiàn)了四大發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)就是脈沖星，它證明了中子星預(yù)言的真實(shí)存在，也間接地證明了引力波的存在，這個(gè)是比我們現(xiàn)在提到的LIGO還要早幾十年。同時(shí)它還為我們提供了宇宙大分子，就是為生命起源提供了另一種解釋。那微波背景輻射則作為宇宙大爆炸理論的一個(gè)佐證，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了離我們最遙遠(yuǎn)的星體叫類星體。

　　在1993年的國際無線電大會上，中國在內(nèi)的這十個(gè)國家提出一種倡議，就是希望在我們地球電磁波環(huán)境被人類的活動徹底毀滅之前，建立一個(gè)超大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡。1994年以南仁東為代表的一些中國天文學(xué)者開始推動了一個(gè)我們現(xiàn)在的工程，叫FAST工程立項(xiàng)，這也就是我們FAST工程的一個(gè)由來。FAST可以說是開創(chuàng)了一個(gè)建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)新模式，傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡的工作模式是比較簡單的，但是受風(fēng)載荷自重等因素的影響，它的口徑極限很難突破到百米。那FAST工程采用特殊的設(shè)計(jì)，它由6000多根鋼索編成的索網(wǎng)掛在一個(gè)500米直徑上的圈梁上，索網(wǎng)大概有兩千多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會設(shè)置一根下拉索，這個(gè)下拉索會連接到固定在地面上的促動器，通過促動器的控制就可以改變這個(gè)索網(wǎng)形狀，可以是球面，可以是拋物面。它可以在索網(wǎng)的局部區(qū)域形成一個(gè)直徑為300米的拋物面，平行光遇到拋物面，它就會匯聚到一個(gè)焦點(diǎn)，這樣我們通過六根鋼索控制它的接收機(jī)系統(tǒng)到焦點(diǎn)的位置，收集電磁波信號，這樣就可以對天體進(jìn)行觀測。當(dāng)我們改變拋物面在反射面的位置的時(shí)候，就像人轉(zhuǎn)動自己的眼球一樣，天眼它也轉(zhuǎn)動了它的眼球，可以看不同方向的天體。

　　那FAST到底有多大？就是說如果我們把它想象成一口鍋的話，全世界每個(gè)人可以分享四瓶茅臺，夠我們所有人好好的喝幾頓的，然后如果裝滿的都是水的話，我們?nèi)澜缛孙嬘靡惶焓亲銐蛄恕＿@樣的一個(gè)大口徑的望遠(yuǎn)鏡就是使我們在望遠(yuǎn)鏡的歷史上，首次在靈敏度這個(gè)重要參數(shù)上站到了世界之巔。我們青年一代應(yīng)該秉承著老一代天文工作者的意志，就是把這個(gè)望遠(yuǎn)鏡調(diào)試好、運(yùn)行好，產(chǎn)生更重要的科學(xué)成果。

　　那它第一個(gè)涉及到的重要的工程就是臺址開挖工程，首先你要選一個(gè)合適的臺址，那我們最后從300多個(gè)洼地歷經(jīng)13年把它定在了一個(gè)叫大窩凼的地方。那為什么會把它選擇在這里？一個(gè)就是它有一個(gè)天然巨大的洼坑，我們只是在這個(gè)洼坑上修修補(bǔ)補(bǔ)，就像削蘋果皮一樣，就花了一個(gè)多億，如果要在平地上挖這樣一個(gè)坑的話，我想幾個(gè)望遠(yuǎn)鏡成本投入進(jìn)去可能都不夠。另外貴州地貌是比較險(xiǎn)峻，人煙也比較少，就是人的活動是比較少的，那電磁波的環(huán)境是跟人的活動直接相關(guān)的，人群比較稀少的話，可以給我們提供一個(gè)優(yōu)良的臺址，我們可不希望建造一個(gè)望遠(yuǎn)鏡到處都是人的干擾信號，對吧？那你觀測就沒有任何意義了。同時(shí)它是一個(gè)貴州的喀斯特洼地，地質(zhì)條件還是相對來說比較穩(wěn)定的，是屬于石灰?guī)r地區(qū)，這樣它的邊坡支護(hù)工程也會節(jié)省成本。最重要的是，地下暗河比較發(fā)育，貴州有很多的大坑，但是都沒有水，所以它就是落下去之后就流走了，地下的暗河非常的發(fā)育。它為什么會形成這么大的坑，也是因?yàn)樗L時(shí)間的沖刷，它是石灰?guī)r嘛，遇水會溶解，就是暗河會越?jīng)_越大，沖到一定大的程度的時(shí)候，它就會溶塌成一個(gè)坑。這是我們臺址工程的一些重要的組成部分，雖說我們臺址工程不是很大，就一個(gè)多億，但是它覆蓋了巖土工程所有的成分，包括道路工程、邊坡支護(hù)工程，還有一些危巖處理工程、臺址開挖工程等等，還有隧道工程，那我們整個(gè)開挖工程涉及的開方量大概是80萬方。

　　因?yàn)橘F州的地貌是非常特殊的，它就有一句話叫地?zé)o三尺平嘛，所以平地對它來說是非常珍貴的，我們?yōu)榱苏乙粔K平地是費(fèi)盡了腦汁．但是我們利用挖出來的土填到另外一個(gè)坑里頭，就形成了兩片洼地，其中一片是一萬多平方，那我們作為未來拼裝場地，所有的重要設(shè)備包括焊接都是在這個(gè)場地進(jìn)行的。然后另外一個(gè)場地，就是圖的下邊那一塊場地，就為工人提供住宿的一個(gè)場地，可以說這是沒有條件創(chuàng)造條件。然后我們整個(gè)的像一些它的基礎(chǔ)工程都是人工挖孔樁，都是人工挖出來的，因?yàn)樗莻€(gè)臺址條件非常差，大型設(shè)備沒法進(jìn)場，都是采用人工挖孔的形式，就一米一米的往下挖，最深的人工挖孔大概將近40米，也就是人在下面作業(yè)的時(shí)候，連呼吸都是很困難的，而且井上作業(yè)人員和井下的作業(yè)人員要非常高的信任度，因?yàn)槟愕粢粋€(gè)石子下去都可能會造成人員的傷亡。

　　可以看一下，我們這現(xiàn)場有一些彎彎曲曲的小隧道，那個(gè)就是我們的排水系統(tǒng)。為什么要把它做成彎彎曲曲的呢？就是因?yàn)檫@個(gè)臺址的匯水面積太大了，我們希望不同區(qū)域的雨水在不同時(shí)間流到這個(gè)坑的中間，這樣也起到錯峰的效應(yīng)，減輕排水的壓力。

　　然后把反射面可以喻為我們整個(gè)天眼的視網(wǎng)膜，因?yàn)檫@個(gè)索網(wǎng)是由6000多個(gè)鋼索編織而成，掛在一個(gè)500米直徑的環(huán)梁上，4450塊反射面單元掛在索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)主索節(jié)點(diǎn)下面都會設(shè)置一根下拉索，那它會連帶我們固定地面上的一個(gè)促動器，就是這個(gè)黃色的一個(gè)裝置，那通過這個(gè)促動器的控制就可以改變索網(wǎng)的形狀，這個(gè)促動器的行程大概是一米左右，那我們這個(gè)剖面跟球面之間的差距也是在一米的范圍以內(nèi)，而且每個(gè)主索節(jié)點(diǎn)上，我們都會設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)靶標(biāo)，就右邊這個(gè)黃色的一個(gè)靶標(biāo)

　　。我們反射面內(nèi)部還做20多個(gè)測量基準(zhǔn)站，每個(gè)基準(zhǔn)站上會布置一臺激光全站儀，通過這個(gè)全站儀測距和測角，我們就可以對主索節(jié)點(diǎn)上的靶標(biāo)進(jìn)行精確定位，那我們一次測量一千多個(gè)點(diǎn)的話，大概需要十分鐘左右的時(shí)間，然后測量精度要求到兩毫米左右。如果你晚上拿著手機(jī)站在我們反射面中間，開了閃光燈去拍張照的話，它的效果就是我身后這張圖，你看到星星點(diǎn)點(diǎn)的就是你手機(jī)的閃光燈發(fā)出的光原路返回的，所有的節(jié)點(diǎn)的靶標(biāo)不管你從任何方向照過去，它都會原路返回，所以這是非常漂亮的一個(gè)效果。

　　那如果再找一個(gè)形象比喻我們饋源支撐，那就是天眼的瞳孔，也就是我們饋源支撐系統(tǒng)。饋源支撐系統(tǒng)里面有一個(gè)饋源艙，它的艙里面放著接收機(jī)，反射面會把巨大面積的信號匯聚到一點(diǎn)，就匯到接收機(jī)這里去。為了實(shí)現(xiàn)接收機(jī)到精確的位置的話，我們需要幾個(gè)重要的部件，一個(gè)就是六座百米高的鐵塔，然后還有六套索驅(qū)動系統(tǒng)，包括一個(gè)30噸重的饋源艙，通過這些東西就可以把我們饋源接收機(jī)系統(tǒng)控到精確的位置，你看上面是由六根索控制的，一個(gè)饋源艙，然后艙內(nèi)部還有AB軸和Stewart的平臺，它們一方面可以消除風(fēng)的擾動，另一方面可以實(shí)現(xiàn)二次精調(diào)的定位。

　　然后我們這項(xiàng)工程有些還是有很難的地方，就是最重要的一個(gè)代表性就是我們索網(wǎng)工程，用一句話來概括這索網(wǎng)工程它有三大的特點(diǎn)，第一個(gè)它是超大跨度，然后超高精度的，主動變位式的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。對于一項(xiàng)工程來講，如果你能有一項(xiàng)世界第一，你就覺得它很難了，但是我們是集了三項(xiàng)世界第一，你就知道它的難度有多大。那其實(shí)它最重要的一個(gè)難點(diǎn)，就是它的疲勞性能的要求，這個(gè)索網(wǎng)不同于傳統(tǒng)的索網(wǎng)，傳統(tǒng)的索網(wǎng)掛在天上，再鋪些板，它只是做承重作用。但這個(gè)索網(wǎng)是要變形用的，所以它對疲勞的性能要求非常高。它要求的疲勞性能是傳統(tǒng)規(guī)范的兩倍還要多，那我們?yōu)榱搜兄七@種鋼索是費(fèi)盡了心機(jī)，我們是經(jīng)歷了近百次的失敗，在索網(wǎng)的各個(gè)工藝包括錨固工藝、扭制工藝、涂層工藝全方位進(jìn)行改進(jìn)，最后歷時(shí)兩年，才研制出了這樣的一個(gè)鋼索結(jié)構(gòu)。

　　還有一個(gè)特點(diǎn)，它的制作精度要求也非常高，它每個(gè)鋼索的加工精度要求達(dá)到一毫米，那是傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提高一個(gè)數(shù)量級，那就意味著我們要做很多特殊的設(shè)計(jì)，比如我們鋼索要在恒溫間進(jìn)行加工，溫度要保持在20℃±0.5℃，在這樣一個(gè)恒溫間進(jìn)行加工這樣的話，你就可以消除溫度變形的影響。同時(shí)每根鋼索你要在待載條件下測量長度，比如說它在實(shí)際工況下受載是95噸，那你就拉到95噸再測量它的長度，而不是說放松的這種測量，這樣可以消除彈性模量的影響。

　　另外一個(gè)它安裝難度非常大，我們現(xiàn)場的條件非常苛刻，很多設(shè)備是沒法進(jìn)場的，所以這空中索網(wǎng)編織是一根一根拼上去的，6000多個(gè)鋼索一根根拼，可以想象它的工作量多大，而且這些鋼索的最重要一個(gè)特點(diǎn)就是每個(gè)索的規(guī)格都不一樣，它長度不一樣，它加工的載荷不一樣，它的截面尺寸也不一樣，如果這些索你裝錯了一根，哪怕那個(gè)節(jié)點(diǎn)盤的方向換一個(gè)方向，你這個(gè)索網(wǎng)可能就成不了型，也就是說這個(gè)工程就失敗了。所以我們在每個(gè)主索上都要打上二維碼的標(biāo)簽，到現(xiàn)場要刷二維碼保證它的安裝的正確性。是在這樣一個(gè)復(fù)雜工藝上，我們最后再把這個(gè)索網(wǎng)精確成型，我們現(xiàn)場所有的安裝工藝都是針對FAST工程來特殊設(shè)計(jì)的。其實(shí)它所有的安裝方法都是針對它特殊設(shè)計(jì)，它利用自己結(jié)構(gòu)本身作為路徑運(yùn)輸它的結(jié)構(gòu)樣，然后進(jìn)行推移、滑移、推移進(jìn)行安裝、焊接，所有的工藝都非常特殊的，像這些施工方法都是作為國家工法進(jìn)行來設(shè)計(jì)的。

　　項(xiàng)目是在去年（2016年）的9月25號實(shí)現(xiàn)落成啟用的，我們總共項(xiàng)目投資大概是11.8個(gè)億，也就相當(dāng)于一公里地鐵的一個(gè)造價(jià)，然而我們卻用它造就了一個(gè)超級工程，我們這個(gè)項(xiàng)目是把中國的射電望遠(yuǎn)鏡第一次提到世界的前列，我們可以保持10年至20年世界的領(lǐng)先。

　　這個(gè)是望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)在的一個(gè)狀況，就是如果現(xiàn)在你要去現(xiàn)場的話，在觀景臺上看這個(gè)望遠(yuǎn)鏡，它就是這個(gè)情況，它是一個(gè)500米口徑的一個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡。因?yàn)橥h(yuǎn)鏡建成了你就要進(jìn)入調(diào)試階段了，它的調(diào)試難度也是非常大的，它不像傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的控制非常簡單，一個(gè)俯仰軸，一個(gè)自旋軸，它控制起來是二維的。但是我們望遠(yuǎn)鏡涉及到大量運(yùn)動部件的構(gòu)造，包括2000多臺促動器，6套索驅(qū)動，然后包括二次精調(diào)平臺和AB軸等等，這些控制只要有一個(gè)部件出現(xiàn)問題了，望遠(yuǎn)鏡可能就沒有辦法正常工作。而且我們要在500米尺度范圍內(nèi)達(dá)到毫米級的精度，你可以想象它這個(gè)難度有多大。

　　那我只以饋源支撐的調(diào)試為例，我們饋源支撐就分為五個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)是由五家單位完成的，那每家單位完成自己的事情他的任務(wù)就算完成了，那我們的任務(wù)就要把這個(gè)系統(tǒng)集成起來，把它做成一個(gè)整體的控制系統(tǒng)，我們要在每一步環(huán)節(jié)都要考慮到安全，足夠的安全措施。30噸重的饋源艙在一百多米的高空中如果是掉下來了，或出現(xiàn)什么問題了，那我們這個(gè)望遠(yuǎn)鏡就毀于一旦了，這個(gè)團(tuán)隊(duì)20多年的心血也就付之東流了，所以我們制定非常嚴(yán)格的一個(gè)安全保障措施，保證每一個(gè)環(huán)節(jié)都不要出問題，保證望遠(yuǎn)鏡的正常調(diào)試。

　　這個(gè)饋源支撐系統(tǒng)調(diào)試分兩級，它第一級是通過六根幾百米的鋼索把饋源艙第一次定位要定位在48毫米以內(nèi)，然后它更高級的定位就是上面那個(gè)動圖要靠AB軸和Stewart平臺，把接收機(jī)定位到十毫米以內(nèi)，它一方面可以實(shí)現(xiàn)高精度定位，同時(shí)還可以抵抗風(fēng)的擾動，如果有風(fēng)吹的時(shí)候，你看它平臺上面是晃的，但是它底下的位置是非常固定的，可以保證接收機(jī)非常穩(wěn)定的在焦點(diǎn)的位置接收我們的電磁波信號。這樣一個(gè)工程你要在140米的高空600米尺度范圍內(nèi)，然后用六根繩子把它們控制在這樣的精度，在你做成之前我覺得可能沒有人會告訴你這事行或者不行。

　　但很幸運(yùn)的是我們今年（2017年）8月17號，第一次就把整個(gè)饋源支撐系統(tǒng)聯(lián)調(diào)成功，我們整個(gè)跟蹤了30分鐘，精調(diào)平臺的精確定位，達(dá)到RMS5.4毫米，所以已經(jīng)滿足我們現(xiàn)場的使用要求。這是它的姿態(tài)角的控制，我們都可以控制到我們想要的范圍之內(nèi)，同時(shí)我們對反射面和饋源指向的精度也做了進(jìn)一步調(diào)試，逐步的把望遠(yuǎn)鏡的波速形狀由以前不太理想的狀態(tài)然后調(diào)到理想狀態(tài)。

　　但隨后我們就會有一些科學(xué)產(chǎn)出，大家可能已經(jīng)知道了，我們首批認(rèn)證了六顆脈沖星，就是我們通過這個(gè)望遠(yuǎn)鏡來發(fā)現(xiàn)了六顆脈沖星，那對于一個(gè)已知的脈沖星進(jìn)行觀測的話，我們對其他望遠(yuǎn)鏡也是有明顯的靈敏度優(yōu)勢的，它已經(jīng)是一個(gè)世界上非常強(qiáng)有力的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡。然后我們還做一些譜線的觀測，其實(shí)宇宙的歷史是由微弱的21厘米譜線進(jìn)行書寫的，所以對這些譜線進(jìn)行觀測的話也是射電望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)重要的性能，那我們現(xiàn)在已經(jīng)開始做這方面的工作了，而且這些校驗(yàn)的工作跟其它望遠(yuǎn)鏡都對比過，它的靈敏度包括各方面都是沒有問題的。

　　然后我們在今年（2017年）8月27號，第一次對一個(gè)固定的射電源，進(jìn)行了天體的跟蹤，我們跟蹤了40分鐘可以穩(wěn)定地獲得低頻和高頻的信號，就是我們第一次把望遠(yuǎn)鏡整體的反射面和饋源支撐同時(shí)聯(lián)動，對天體目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，這樣也就實(shí)現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡最重要的一個(gè)功能，就是跟蹤的功能。那這個(gè)功能實(shí)現(xiàn)之后，對整個(gè)望遠(yuǎn)鏡調(diào)試來說是有里程碑意義的，也意味著我們的望遠(yuǎn)鏡的功能性調(diào)試也基本就實(shí)現(xiàn)了。

　　其實(shí)我們這個(gè)望遠(yuǎn)鏡，還有很多其他的一些用途，像我們可以做一些VLBI網(wǎng)，它可以做一些深空的成圖包括深空探測，它能把我們深空探測和通訊能力提升到太陽系的邊緣，同時(shí)還可以做非相干散射雷達(dá)接收系統(tǒng)，包括做一些主動雷達(dá)接收系統(tǒng)，可能將來有能力會探測到毫米級的一個(gè)碎片，希望我們能在未來幾年內(nèi)能把它調(diào)試好，能把它運(yùn)行好，能產(chǎn)生世界級的科研成果，這樣我們也可以回饋公眾，也會向國家有個(gè)交代。謝謝！

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