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中國天眼順利通過國家驗收,中國電科為FAST點“睛”
2020-01-16

1月11日,被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)通過國家驗收正式開放運行,成為全球最大且最靈敏的射電望遠鏡。

2顆,11顆,43顆,93顆,102顆……從2017年10月“中國天眼”首次發現2顆脈沖星,到11日召開的國家驗收會上公布已發現102顆脈沖星,它兩年多來發現的脈沖星超過同期歐美多個脈沖星搜索團隊發現數量的總和。

中國天眼是中國科學家的創舉,是體現“中國智造”的大國重器。FAST是大科學工程,系統龐大,中國電科承擔了其中關鍵的兩大系統——反射面單元、饋源艙及艙停靠平臺的研制工作。FAST的性能,與這兩大系統息息相關。

美麗天眼的“千變萬化”:4450塊反射面單元組成一口巨大的變形金鍋

蔥綠的群山環抱著直徑500米的天眼,植被茂密的青山是自然的寵兒,而銀白色的鋁合金“大鍋”則是科學家和工程師們創造的奇跡。在這里,自然與科學水乳交融,共同構成震撼人心的畫面。

“這口大鍋,由4450塊反射面單元組成,每塊單元又由100塊直徑大約1.1米的面板子單元拼裝而成。看起來只是龐大的數量,但是實際上,從研發到生產到拼裝,每一個細節都閃耀著科技的光輝。” 網絡通信子集團54所FAST反射面系統總設計師鄭元鵬說。

FAST項目的反射面板是用平面去裝配球面。鄭元鵬介紹,直徑500米的球面要拆解成一塊一塊的平面子單元,子單元的大小是有講究的,并非拍腦袋就能決定。太大了,拼裝成的球面就不夠平整圓潤,太小了,就會成倍增加施工的成本和難度。經過反復測算,最終子單元設定為邊長1.1米左右的三角型。

反射面單元并非是“鐵板一塊”,而是布滿了密密麻麻的有規則的孔洞。“這些孔洞的直徑是5毫米。這也是經過反復測算的。再大就會影響無線電波的接收,再小就會影響透光、透水和防風性能,也會增加面板的重量。”鄭元鵬說。

要想用平面裝配出完美的球面,對面板生產和拼裝的精度控制就至關重要。“面板的材質是鋁合金,其生產精度要控制在1.5毫米以內。可是,不管什么材質都是有自身重量的,經過力學分析和實驗證明,面板鉚接成形后的重力變形量在1.35毫米左右,給加工的變形余量只有0.15毫米,這在實際生產中很難實現。如何克服自重帶來的變形,我們想了很多種辦法。”FAST反射面總工藝師張萬才說,“經過多方嘗試,我們發現,在200公斤左右的力作用下,面板會向外擴張零點幾毫米。在這個力的作用下,把面板鉚接成形,當把外力撤掉時,面板上就形成了拉應力。它就不會變形了。”為此,張萬才帶來工藝師專門設計了一個工裝,通過扳手螺旋加力把拉應力固化下來。“這樣成功率很高,此后在平面度這個環節上幾乎沒有廢品了。”

“拼裝精度也很重要。要想使球面平滑,每塊面板單元的拼裝精度要控制在2毫米內。”鄭元鵬介紹,“100塊面板子單元拼裝出的,是一個完美光滑的拋物面。通過調整螺絲的高度,用螺絲的升降,有效的調整曲率,從而達到精度要求。”

此外,4450塊反射面單元根據在望遠鏡球面中的位置和功用不同,共有431種類型,而每個單元的100塊基礎面板又分為7種類型。不同類型的面板子單元,雖然形態、大小各異,但是肉眼上根本看不出差距。這對他們的管理提出了很高的要求。

據悉,54所用了11個月的時間,按期完成了反射面研制生產和拼裝任務。

“這么大口徑的反射面,在世界上是前所未有的。FAST不僅是一口超級大鍋,還是一口史無前例的變形金鍋。眾所周知,球面是不能反射信號的。我們的反射面單元安裝在像蜘蛛網一樣覆蓋的索網上,索網的每個節點都連接一個促動器,需要觀測某一區域的時候,促動器會帶動相關的反射面單元在大鍋上形成一個直徑300米的拋物面,就好像是大鍋上的一個小碗。當觀測區域變化的時候,促動器會隨之帶動反射面單元形成千變萬化的‘小碗’,擴大觀天的范圍,提高信號的接收廣度。”鄭元鵬指出。

“美瞳”精靈般轉動:“饋源艙”完美體現FAST屬性

圍繞觀天巨眼,有六座近百米高的支撐塔,高聳入云。塔頂垂下六條柔性鋼索,將橢圓形的饋源艙吊在半空的“鍋心”處。“如果說FAST是觀測深空的巨眼,那么,饋源艙就猶如這只眼睛的巨大瞳孔。”54所FAST饋源艙總設計師李建軍說。

“饋源艙處于每個拋物面的焦點位置,其作用就是聚焦反射面收集到的信號,實現科學家高靈敏度的太空觀測。反射面要根據觀測的天體運動變形,拋物面的形狀變了之后,焦點的位置就發生了變化,饋源艙位置必須跟著動。”李建軍介紹,根據FAST可變形的拋物面形狀,饋源艙有一個移動的范圍,它將在直徑206米,距地140米-180米的空間范圍內移動。

饋源艙雖然看起來像懸掛在大鍋中的一枚果子,但實際上,它是一個直徑13米、高6米的龐然大物。“大鍋變形的時候,如何實現柔性懸掛下瞬間移動到焦點,并保證饋源艙里的接收機紋絲不動,這對我們提出了極高的要求。”李建軍說,經過千錘百煉的試驗,李建軍團隊最終確定通過兩級精密調整實現接收機靜位在毫米級,從而實現艙移動如風,但接收機自巋然不動。“第一級調整主要是從宏觀上彌補大尺度的移動。第二級通過精密的二級調整將接收機穩定到毫米級。”

此外,饋源艙從設計和性能上一直在優化,與美國Arecibo300米射電望遠鏡相比,不僅其重量大大減輕,而且具有很高的屏蔽功能。

美國Arecibo300米射電望遠鏡饋源艙系統總重量為1000噸,如果延用相同的方案,那么FAST饋源艙的重量至少在3000噸。但實際上,FAST饋源艙重量僅僅是30噸。重量減輕了,性能卻不能降低,同時還要滿足柔性移動的要求。難度可想而知。

由于饋源艙是一個集多種技術于一體的光機電一體化綜合系統,因此不可避免的會有很多電磁信號的輻射。“如果不能屏蔽這些信號,就會與收集到的宇宙信號混雜到一起,科學家將無法進行分離。”李建軍及其團隊將FAST做到了160db(分貝)的指標要求,而美國Arecibo300米射電望遠鏡的屏蔽指標則是120db。

“慧眼”看天外,觀天巨眼通過國家驗收正式開放運行,這個據說能夠看到宇宙邊緣的中國天眼,相信一定能夠開啟人類探索宇宙奧秘和外星生命的新紀元! 來源:中國電科網站

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