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腳踏實地 仰望星空|獲“國家卓越工程師團隊”稱號的中國天眼工程團隊

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  仰望浩瀚星空,漫天星辰閃爍,人類對探索宇宙的思考與熱情從未停止。


  腳踏實地奔赴星辰大海。1994年,中國天眼工程團隊由人民科學家南仁東牽頭組建,此后長期圍繞中國天眼開展關鍵技術攻關,先后榮獲第6屆全國專業技術人才先進集體、第23屆中國青年五四獎章集體和中國科學院杰出成就獎,今年1月,榮獲“國家卓越工程師團隊”稱號。


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位于平塘縣的世界上最大單口徑球面射電望遠鏡——“中國天眼”(FAST)。


  500米口徑是起點


  初春的太陽暖洋洋,采訪車一路向南進入平塘縣克度鎮金科村,在大山中劈開的蜿蜒小路上爬行。約20分鐘,“中國天眼”的石碑映入眼簾。


  “正在觀測”“請勿攜帶電子設備”“請勿拍照”等警示牌掛在緊閉的電動門上。記者由此步行830步,終于見到了這口“大鍋”——500米口徑球面射電望遠鏡。


  “大鍋”靜靜地坐在大窩凼里,周圍6座高塔上分別伸出一根鋼索,共同拉著一個似鉆石三角形的饋源艙,仔細聽可以聽到斷斷續續的滴滴聲,仿佛是來自宇宙太空的電磁波信號蕩漾在心靈深處而產生的節韻。


  自20世紀初射電天文誕生起,在不到70年的時間里貢獻了類星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射四大天文發現,展示了廣闊的發展潛力。


  隨著手機、數碼相機等電子產品開始大范圍普及,全球電磁波寧靜環境越來越少,各國天文學家更加急迫地期望籌建更多、更大口徑射電望遠鏡。


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南仁東(中)與工程技術人員在大窩凼施工現場檢查施工進展(2014年12月1日攝)。國家天文臺 供圖


  1993年,日本京都國際無線電科學聯合會(URSI)大會上,時任中國科學院北京天文臺(國家天文臺前身)副臺長的南仁東宣布,中國將建造新一代類似Arecibo(1963年,美國康奈爾大學建造的305米口徑固定式球反射面巨型射電望遠鏡)的球反射面巨型射電望遠鏡。


  “讓‘大鍋’坐在洼坑里,能突破全可動望遠鏡口徑不超過100米的瓶頸,還能利用喀斯特獨特的地質條件解決洼坑的排水難題,節省土方工程所需的巨額資金?!薄爸袊煅邸眻F隊(FAST運行和發展中心)結構與機械工程部主任李輝說,給“大鍋”選一個合適的家,成為了團隊接來下10余年中最重要的事。


  2005年,平塘縣克度鎮金科村的大窩凼洼地從3000個備選臺址中脫穎而出,成為FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)500米口徑球面射電望遠鏡臺址。


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夜色中的中國天眼。


  變“復制”為“創造”


  “為什么是500米口徑?”記者好奇地問道。


  “肯定得比305米大?!崩钶x輕松地回答,“Arecibo是305米口徑。超過它,我們望遠鏡的性能就會有更高的提升?!?/p>


  “只能是500米嗎?”記者追問。


  “不是,大窩凼的附近就有800米的坑,只是綜合考慮望遠鏡性能和造價,選了一個較好的性價比?!崩钶x說。


  2016年9月25日,總投資11.73億元的FAST工程落成?;赝x址、預研究、論證、立項、建設,每一步都充滿挑戰和困難。


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拼版照片:上圖為2015年8月2日拍攝的“中國天眼”首塊面板安裝成功;下圖為2016年7月2日拍攝的“中國天眼”吊裝最后一塊反射面板。


  起初,科學家們想直接復制一個Arecibo,相應地做一個更大口徑的望遠鏡,沒想到一開始就遇到了難題。


  “FAST的口徑達500米,支撐平臺尺寸需要相應擴大,粗略估計超過萬噸?!崩钶x說,這對塔和索的強度和剛度要求都非常高。這一刻起,FAST與Arecibo分道揚鑣,走上自我創新之路。


  經長期研究,FAST采用計算機伺服控制的大跨度柔性索并聯牽引系統取代Arecibo重達近千噸的三角形支撐平臺,形成光機電一體化的無平臺饋源支撐方案,最終定型為6塔6索牽引30噸饋源艙。團隊還研制出滿足10萬次的耐彎曲疲勞壽命的動光纜,攻克纜線入艙信號傳輸“生命線”難關。


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“中國天眼”全景(2022年7月21日維護保養期間魚眼鏡頭拍攝)。


  為解決望遠鏡球反射面難題,FAST再次創新采用主動變形反射面,讓FAST球反射面可以根據觀測目標位置改變形狀,形成300米口徑拋物面,使平行入射的電磁波信號只需一次反射即可聚焦,突破了Arecibo需第3次反射才能接收電磁波信號的缺點。


  在南仁東的指導下,FAST工程正式成立調試核心組。組長姜鵬和團隊成員經過兩年大規模疲勞實驗、上百次實驗,研制出疲勞強度能達到500兆帕200萬次的超高耐疲勞鋼索,讓主動變形反射面方案成功落地。并經多年優化改進,逐步形成今天由圈梁、格構柱、索網、反射面單元和促動器構成的主動反射面系統。


在位于貴州省平塘縣大窩凼洼地的世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)拍攝的星軌。 楊俊波 鄧剛 攝


  驚雷中的一聲蟬鳴


  與Arecibo相比,FAST不僅大幅度降低饋源支撐系統自重,還實現饋源艙在140米高空、206米尺度范圍內實時定位,直徑約13米的饋源艙對電磁波信號的遮擋效應幾乎能忽略不計,且可觀測天區約為Arecibo的2倍。


  李輝這樣評價那段日子:“通過努力,我親眼見證了FAST的成長。這種機遇是一種財富,極大拓展了我的視野?!?/p>


  2017年8月27日,FAST第一次實現對特定目標的追蹤觀測;8月28日,FAST成功地對同一個天體跟蹤兩次;10月,FAST首次發現6顆新脈沖星,讓中國實現“零的突破”。


  來自宇宙的電磁波信號就像驚雷中的一聲蟬鳴。歷時22年,FAST終于打開了中國的“天眼”。


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  如今,“中國天眼”已正式投入運行并向全球開放,發現的脈沖星總數超過870顆,是同一時期世界上所有其它望遠鏡發現脈沖星總數的3倍以上,并在脈沖星、快速射電暴及引力波探測等領域產出一系列世界級成果。在團隊的努力下,它的年觀測時長常年保持在5300小時以上,達到了國際同類大科學裝置的水平。


  李輝透露,未來數年里,有望在FAST周邊再建20余臺小口徑全可動射電望遠鏡,與FAST組成望遠鏡陣列(FAST先導陣),在保持FAST超高靈敏度的同時,提高望遠鏡分辨率,探索長久保持FAST領先能力的途徑。


  貴州日報天眼新聞記者 牟元媛

編輯 駱航念

二審 劉義 胥芬芳

三審 張齊 劉丹

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