姜鹏：FAST—睁开“天眼”看宇宙

国家天文台研究员、博士生导师、FAST调试组组长姜鹏

　　新浪财经讯 CC讲坛第22期于2017年12月3日在北京东方梅地亚中心M剧场举行，国家天文台研究员、博士生导师、FAST调试组组长姜鹏出席并演讲。位于贵州大窝凼的“天眼”已开，这个地球最大的射电望远镜有哪些最牛的科技创新？

　　以下为演讲实录：

　　我叫姜鹏，来自于FAST工程。我们现在的FAST工程是去建造一个世界上最大的单口径射电望远镜，被喻为中国天眼。要介绍它得先了解一下射电天文的由来。其实厚厚的大气层在两个波段是透明的，一个就是可见光的波段，也就是我们视觉覆盖的范围，所以我们能够看到太阳光照射在地上，然后我们肉眼能识别世间的千变万化的物质，同时我们也能分辨出五颜六色，我们视觉覆盖范围与这个窗口正好是重叠的，这也正好解释了物竞天择、适者生存的道理。

　　我们在千百年来都是通过可见光窗口去观测宇宙的，去看天文天体。例如古代的占星术，再如伽利略利用第一台望远镜看到了月球的环形坑。时至今日吧，光学天文也仍然是我们天文学的一个重要的分支。但是厚厚的大气层其实还有另外一个窗口，就是不容易被我们察觉到，那就是无线电窗口。这个窗口的发现是源于一次偶然的发现，一个叫卡尔▪央斯基的一个人，在1931年做一次雷达通讯实验的时候发现一次24小时周期的干扰信号，然后在后面的一个小型的听证会上，就有人指出了这可能是一个非地球起源。那随后的观测认证，就证明了这属于我们的银河系中心。由此光学传统的天文学揭开了它历史的新一页，就是射电天文学。

　　时至今日，射电天文学为我们贡献了四大发现，第一个就是脉冲星，它证明了中子星预言的真实存在，也间接地证明了引力波的存在，这个是比我们现在提到的LIGO还要早几十年。同时它还为我们提供了宇宙大分子，就是为生命起源提供了另一种解释。那微波背景辐射则作为宇宙大爆炸理论的一个佐证，同时还发现了离我们最遥远的星体叫类星体。

　　在1993年的国际无线电大会上，中国在内的这十个国家提出一种倡议，就是希望在我们地球电磁波环境被人类的活动彻底毁灭之前，建立一个超大口径的射电望远镜。1994年以南仁东为代表的一些中国天文学者开始推动了一个我们现在的工程，叫FAST工程立项，这也就是我们FAST工程的一个由来。FAST可以说是开创了一个建造巨型射电望远镜的一个新模式，传统的望远镜的工作模式是比较简单的，但是受风载荷自重等因素的影响，它的口径极限很难突破到百米。那FAST工程采用特殊的设计，它由6000多根钢索编成的索网挂在一个500米直径上的圈梁上，索网大概有两千多个节点，每个节点都会设置一根下拉索，这个下拉索会连接到固定在地面上的促动器，通过促动器的控制就可以改变这个索网形状，可以是球面，可以是抛物面。它可以在索网的局部区域形成一个直径为300米的抛物面，平行光遇到抛物面，它就会汇聚到一个焦点，这样我们通过六根钢索控制它的接收机系统到焦点的位置，收集电磁波信号，这样就可以对天体进行观测。当我们改变抛物面在反射面的位置的时候，就像人转动自己的眼球一样，天眼它也转动了它的眼球，可以看不同方向的天体。

　　那FAST到底有多大？就是说如果我们把它想象成一口锅的话，全世界每个人可以分享四瓶茅台，够我们所有人好好的喝几顿的，然后如果装满的都是水的话，我们全世界人饮用一天是足够了。这样的一个大口径的望远镜就是使我们在望远镜的历史上，首次在灵敏度这个重要参数上站到了世界之巅。我们青年一代应该秉承着老一代天文工作者的意志，就是把这个望远镜调试好、运行好，产生更重要的科学成果。

　　那它第一个涉及到的重要的工程就是台址开挖工程，首先你要选一个合适的台址，那我们最后从300多个洼地历经13年把它定在了一个叫大窝凼的地方。那为什么会把它选择在这里？一个就是它有一个天然巨大的洼坑，我们只是在这个洼坑上修修补补，就像削苹果皮一样，就花了一个多亿，如果要在平地上挖这样一个坑的话，我想几个望远镜成本投入进去可能都不够。另外贵州地貌是比较险峻，人烟也比较少，就是人的活动是比较少的，那电磁波的环境是跟人的活动直接相关的，人群比较稀少的话，可以给我们提供一个优良的台址，我们可不希望建造一个望远镜到处都是人的干扰信号，对吧？那你观测就没有任何意义了。同时它是一个贵州的喀斯特洼地，地质条件还是相对来说比较稳定的，是属于石灰岩地区，这样它的边坡支护工程也会节省成本。最重要的是，地下暗河比较发育，贵州有很多的大坑，但是都没有水，所以它就是落下去之后就流走了，地下的暗河非常的发育。它为什么会形成这么大的坑，也是因为它长时间的冲刷，它是石灰岩嘛，遇水会溶解，就是暗河会越冲越大，冲到一定大的程度的时候，它就会溶塌成一个坑。这是我们台址工程的一些重要的组成部分，虽说我们台址工程不是很大，就一个多亿，但是它覆盖了岩土工程所有的成分，包括道路工程、边坡支护工程，还有一些危岩处理工程、台址开挖工程等等，还有隧道工程，那我们整个开挖工程涉及的开方量大概是80万方。

　　因为贵州的地貌是非常特殊的，它就有一句话叫地无三尺平嘛，所以平地对它来说是非常珍贵的，我们为了找一块平地是费尽了脑汁．但是我们利用挖出来的土填到另外一个坑里头，就形成了两片洼地，其中一片是一万多平方，那我们作为未来拼装场地，所有的重要设备包括焊接都是在这个场地进行的。然后另外一个场地，就是图的下边那一块场地，就为工人提供住宿的一个场地，可以说这是没有条件创造条件。然后我们整个的像一些它的基础工程都是人工挖孔桩，都是人工挖出来的，因为它那个台址条件非常差，大型设备没法进场，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将近40米，也就是人在下面作业的时候，连呼吸都是很困难的，而且井上作业人员和井下的作业人员要非常高的信任度，因为你掉一个石子下去都可能会造成人员的伤亡。

　　可以看一下，我们这现场有一些弯弯曲曲的小隧道，那个就是我们的排水系统。为什么要把它做成弯弯曲曲的呢？就是因为这个台址的汇水面积太大了，我们希望不同区域的雨水在不同时间流到这个坑的中间，这样也起到错峰的效应，减轻排水的压力。

　　然后把反射面可以喻为我们整个天眼的视网膜，因为这个索网是由6000多个钢索编织而成，挂在一个500米直径的环梁上，4450块反射面单元挂在索网节点上，每个主索节点下面都会设置一根下拉索，那它会连带我们固定地面上的一个促动器，就是这个黄色的一个装置，那通过这个促动器的控制就可以改变索网的形状，这个促动器的行程大概是一米左右，那我们这个剖面跟球面之间的差距也是在一米的范围以内，而且每个主索节点上，我们都会设置一个节点靶标，就右边这个黄色的一个靶标

　　。我们反射面内部还做20多个测量基准站，每个基准站上会布置一台激光全站仪，通过这个全站仪测距和测角，我们就可以对主索节点上的靶标进行精确定位，那我们一次测量一千多个点的话，大概需要十分钟左右的时间，然后测量精度要求到两毫米左右。如果你晚上拿着手机站在我们反射面中间，开了闪光灯去拍张照的话，它的效果就是我身后这张图，你看到星星点点的就是你手机的闪光灯发出的光原路返回的，所有的节点的靶标不管你从任何方向照过去，它都会原路返回，所以这是非常漂亮的一个效果。

　　那如果再找一个形象比喻我们馈源支撑，那就是天眼的瞳孔，也就是我们馈源支撑系统。馈源支撑系统里面有一个馈源舱，它的舱里面放着接收机，反射面会把巨大面积的信号汇聚到一点，就汇到接收机这里去。为了实现接收机到精确的位置的话，我们需要几个重要的部件，一个就是六座百米高的铁塔，然后还有六套索驱动系统，包括一个30吨重的馈源舱，通过这些东西就可以把我们馈源接收机系统控到精确的位置，你看上面是由六根索控制的，一个馈源舱，然后舱内部还有AB轴和Stewart的平台，它们一方面可以消除风的扰动，另一方面可以实现二次精调的定位。

　　然后我们这项工程有些还是有很难的地方，就是最重要的一个代表性就是我们索网工程，用一句话来概括这索网工程它有三大的特点，第一个它是超大跨度，然后超高精度的，主动变位式的索网结构。对于一项工程来讲，如果你能有一项世界第一，你就觉得它很难了，但是我们是集了三项世界第一，你就知道它的难度有多大。那其实它最重要的一个难点，就是它的疲劳性能的要求，这个索网不同于传统的索网，传统的索网挂在天上，再铺些板，它只是做承重作用。但这个索网是要变形用的，所以它对疲劳的性能要求非常高。它要求的疲劳性能是传统规范的两倍还要多，那我们为了研制这种钢索是费尽了心机，我们是经历了近百次的失败，在索网的各个工艺包括锚固工艺、扭制工艺、涂层工艺全方位进行改进，最后历时两年，才研制出了这样的一个钢索结构。

　　还有一个特点，它的制作精度要求也非常高，它每个钢索的加工精度要求达到一毫米，那是传统标准规范提高一个数量级，那就意味着我们要做很多特殊的设计，比如我们钢索要在恒温间进行加工，温度要保持在20℃±0.5℃，在这样一个恒温间进行加工这样的话，你就可以消除温度变形的影响。同时每根钢索你要在待载条件下测量长度，比如说它在实际工况下受载是95吨，那你就拉到95吨再测量它的长度，而不是说放松的这种测量，这样可以消除弹性模量的影响。

　　另外一个它安装难度非常大，我们现场的条件非常苛刻，很多设备是没法进场的，所以这空中索网编织是一根一根拼上去的，6000多个钢索一根根拼，可以想象它的工作量多大，而且这些钢索的最重要一个特点就是每个索的规格都不一样，它长度不一样，它加工的载荷不一样，它的截面尺寸也不一样，如果这些索你装错了一根，哪怕那个节点盘的方向换一个方向，你这个索网可能就成不了型，也就是说这个工程就失败了。所以我们在每个主索上都要打上二维码的标签，到现场要刷二维码保证它的安装的正确性。是在这样一个复杂工艺上，我们最后再把这个索网精确成型，我们现场所有的安装工艺都是针对FAST工程来特殊设计的。其实它所有的安装方法都是针对它特殊设计，它利用自己结构本身作为路径运输它的结构样，然后进行推移、滑移、推移进行安装、焊接，所有的工艺都非常特殊的，像这些施工方法都是作为国家工法进行来设计的。

　　项目是在去年（2016年）的9月25号实现落成启用的，我们总共项目投资大概是11.8个亿，也就相当于一公里地铁的一个造价，然而我们却用它造就了一个超级工程，我们这个项目是把中国的射电望远镜第一次提到世界的前列，我们可以保持10年至20年世界的领先。

　　这个是望远镜现在的一个状况，就是如果现在你要去现场的话，在观景台上看这个望远镜，它就是这个情况，它是一个500米口径的一个射电望远镜。因为望远镜建成了你就要进入调试阶段了，它的调试难度也是非常大的，它不像传统望远镜的控制非常简单，一个俯仰轴，一个自旋轴，它控制起来是二维的。但是我们望远镜涉及到大量运动部件的构造，包括2000多台促动器，6套索驱动，然后包括二次精调平台和AB轴等等，这些控制只要有一个部件出现问题了，望远镜可能就没有办法正常工作。而且我们要在500米尺度范围内达到毫米级的精度，你可以想象它这个难度有多大。

　　那我只以馈源支撑的调试为例，我们馈源支撑就分为五个子系统，子系统是由五家单位完成的，那每家单位完成自己的事情他的任务就算完成了，那我们的任务就要把这个系统集成起来，把它做成一个整体的控制系统，我们要在每一步环节都要考虑到安全，足够的安全措施。30吨重的馈源舱在一百多米的高空中如果是掉下来了，或出现什么问题了，那我们这个望远镜就毁于一旦了，这个团队20多年的心血也就付之东流了，所以我们制定非常严格的一个安全保障措施，保证每一个环节都不要出问题，保证望远镜的正常调试。

　　这个馈源支撑系统调试分两级，它第一级是通过六根几百米的钢索把馈源舱第一次定位要定位在48毫米以内，然后它更高级的定位就是上面那个动图要靠AB轴和Stewart平台，把接收机定位到十毫米以内，它一方面可以实现高精度定位，同时还可以抵抗风的扰动，如果有风吹的时候，你看它平台上面是晃的，但是它底下的位置是非常固定的，可以保证接收机非常稳定的在焦点的位置接收我们的电磁波信号。这样一个工程你要在140米的高空600米尺度范围内，然后用六根绳子把它们控制在这样的精度，在你做成之前我觉得可能没有人会告诉你这事行或者不行。

　　但很幸运的是我们今年（2017年）8月17号，第一次就把整个馈源支撑系统联调成功，我们整个跟踪了30分钟，精调平台的精确定位，达到RMS5.4毫米，所以已经满足我们现场的使用要求。这是它的姿态角的控制，我们都可以控制到我们想要的范围之内，同时我们对反射面和馈源指向的精度也做了进一步调试，逐步的把望远镜的波速形状由以前不太理想的状态然后调到理想状态。

　　但随后我们就会有一些科学产出，大家可能已经知道了，我们首批认证了六颗脉冲星，就是我们通过这个望远镜来发现了六颗脉冲星，那对于一个已知的脉冲星进行观测的话，我们对其他望远镜也是有明显的灵敏度优势的，它已经是一个世界上非常强有力的一个望远镜。然后我们还做一些谱线的观测，其实宇宙的历史是由微弱的21厘米谱线进行书写的，所以对这些谱线进行观测的话也是射电望远镜的一个重要的性能，那我们现在已经开始做这方面的工作了，而且这些校验的工作跟其它望远镜都对比过，它的灵敏度包括各方面都是没有问题的。

　　然后我们在今年（2017年）8月27号，第一次对一个固定的射电源，进行了天体的跟踪，我们跟踪了40分钟可以稳定地获得低频和高频的信号，就是我们第一次把望远镜整体的反射面和馈源支撑同时联动，对天体目标进行跟踪，这样也就实现了望远镜最重要的一个功能，就是跟踪的功能。那这个功能实现之后，对整个望远镜调试来说是有里程碑意义的，也意味着我们的望远镜的功能性调试也基本就实现了。

　　其实我们这个望远镜，还有很多其他的一些用途，像我们可以做一些VLBI网，它可以做一些深空的成图包括深空探测，它能把我们深空探测和通讯能力提升到太阳系的边缘，同时还可以做非相干散射雷达接收系统，包括做一些主动雷达接收系统，可能将来有能力会探测到毫米级的一个碎片，希望我们能在未来几年内能把它调试好，能把它运行好，能产生世界级的科研成果，这样我们也可以回馈公众，也会向国家有个交代。谢谢！

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