FAST,大国重器之“中国天眼”

2021/8/18 11:01:55 来源:新浪科技 作者:科学大家 责编:骑士

姚蕊:国家天文台青年研究员,中科院青促会会员,FAST 运行和发展中心机械组组长。主要研究方向为天文技术与方法、索并联机器人,2018 年入选《麻省理工科技评论》35 名“35 岁以下科技创新青年”中国区榜单。

以下内容来自墨子沙龙“中国的大科学装置”活动

前面两位老师给我们带来很多科学之美(见:核电站内捕捉幽灵粒子;在地下 2400 米看宇宙),受到他们的启发,你可能想成为一个科学家。我虽然来自国家天文台,但我是做工程出身的,所以我今天会给大家更多的介绍在 FAST 工程中的一些故事,我希望现场的小朋友可以受此启发,能成为一个工程师。

我是国家天文台的姚蕊,我今天带来的内容是“中国天眼”。实际在很长的一段时间我们都称它为 FAST,在 2016 年的时候,被誉为“中国天眼”。有人说 FAST 是不是代表希望望远镜建得更快,其实不是,它就是简简单单的“500 米口径射电望远镜”的英文缩写,这就是做工程的人最朴实的东西。

经历了 22 年,望远镜在 2016 年建设完成,在今年的 3 月 31 日正式向全世界开放了。FAST 具有特别优异的灵敏度。灵敏度指的是,到底能探测到多微弱的信号。那么如何得到暗弱的信号?对于射电望远镜来讲,非常简单粗暴,就是要大面积。面积越大,同时接收信号的能量就越多,那么它的灵敏度也越高。FAST 建成之后,它的灵敏度是当时的 Arecibo 的 2.5 倍,占据了世界射电望远镜的制高点。

我做 FAST 已经有 15 年了,我刚刚接触 FAST 的时候,还在学校做学生,做报告的时候,经常老师会问你:做的这个东西到底是什么?什么是射电望远镜?很多时候我们提到望远镜更多的是停留在光学望远镜(工作在可见光波段)的层面,通过这种光学望远镜去看星空、看银河。到底什么是射电望远镜,国家天文台的老师告诉我们,就把它想象成一个天线大锅,就像我们的天线一样,去接收无线波段的信号,主要是集中在毫米、厘米、分米、米的范围。FAST 主要是工作在分米到米的范围。

射电望远镜的历史,远远没有光学望远镜那么久远。上世纪 30 年代,卡尔・央斯基一次无意的发现标志着射电天文的诞生。它诞生时间虽然很短,不足百年,但是它却在上世纪的 60 年代有了四大发现,包括脉冲星、星际分子、微波背景辐射和类星体,还得到了相应的诺贝尔奖。所以可以看到,在上世纪 60 年代 70 年代,大量的射电望远镜在建设。这也是 FAST 为什么要开始建设的一个原动力。

在 1994 年,国际无线电大会提出了一公里平方阵的设想。一平方公里阵就是说通过很多个射电望远镜来一起组成一个射电望远镜阵,然后来达到一个高的分辨率,同时也希望能达到尽可能高的灵敏度。但是在上世纪 90 年代,中国要参加国际项目的话,会遇到非常多的阻力,也就因为这种阻力的情况,南仁东先生最早提出了我们中国要不要自己建一个射电望远镜,这就是最初的一个原动力。要建立自己的射电望远镜,不再需要去那么辛苦地申请国际上的射电天文的观测时间,并且能得到的时间也非常短。

建设什么样的射电望远镜,在最初的时候有一个考虑。你会发现通过几十年的增长,它的口径最大也不过百米左右,这是因为从它的结构上来讲的话,更大的口径会对它底下的动力学,还有它结构的安全性、结构精度等等有很大的影响。所以很大程度上讲,对于这种望远镜,构型百米似乎就是极限了。

射电望远镜希望达到一个高灵敏度的话,必须要扩展它的面积,怎么办?很多时候,人们会把目光投向美国的 Arecibo,这个射电望远镜是在上世纪 60 年代建立的,通过了两次改造之后,它变成了现在的样子。也很不幸,在去年的时候,它已经彻底告别了我们。但是这个确实是突破百米极限的一个新的概念。

在最早的时候 FAST 就是参照 Arecibo 来进行的设计。其实,很多时候看到现在的 FAST 的样子,都会跟 Arecibo 联系在一起。看看下面这张图,是在上世纪 95、96 年的时候,FAST 进行一些立项申请时候的手绘图。从这里看到它几乎就像一个 Arecibo 的翻版,只不过把尺度变成了 500 米口径,仍然考虑是一个球面,上面还是一个线馈。而当时的概念有一个不同的地方,就是国内的科学家非常大胆地想不再用几个固定的钢丝绳,而是用一个活动的钢丝绳去牵引线馈来回的运动 —— 在一个比较大的天区里面进行运动,不再建像他们那样一个那么大的三角形的中间的钢性框架。因为我们发现,如果 500 米口径的望远镜建成那样子的框架,中间框架要上万吨,根本没有办法建设。

当考虑到已经可以把上面的部分活动了,那么下一步能不能把下面的反射面也活动一下,就是不再用一个球面的反射面,用抛物面,这可以最大限度地将抛物面中间的信号汇聚到焦点位置。那么如果一个 500 米口径的望远镜只是一个抛物面的话,就代表我只能接受天区上面一个角度下来的信号,那怎么行。所以又换了一个概念。在 300 米的尺度范围之内,当选择了合适的焦比,从抛物面到球面的一个变形量是不到半米的。我们能不能去建一个可以实时活动的抛物面,虽然是 500 米口径,但现在的瞬时的有效的接收面积是 300 米,就在这 300 米的范围之内把它从球面变成抛物面,然后最大程度地把这 300 米范围之内的能量全部接收进来,是不是就可以来实现最新的一个概念。有了当时的一个设计图,底下的反射面可以实时的进行变形,当它变形可以想象 500 米口径的球面里面,可以变形成无数个 300 米口径的抛物面,那么这无数个 300 米的抛物面,它的焦点就会变成一个焦面,焦面会位于整个反射面上方 140 米到 170 米,开口口径在 206 米的一个球冠面。

钢丝绳牵引变成一个很好用的方式,可以牵引中间的馈源舱在 200 米的范围之内来进行运动,然后能到达无数个焦点的位置。但是这样的精度需要多高?观测的频段是在 70M 到 3G 赫兹,也就是常说的厘米波到米波的一个范围。这样的话对于它的控制精度的要求就要求反射面 300 米的面型精度要控制在四毫米以内,馈源舱中间的馈源的向心点的精度是需要控制在毫米量级。而现在用的钢丝绳就足足有 46 毫米的直径,所以也就是说,我现在控制的精度比钢丝绳的直径还要小。

概念是有了,下面就是怎么建设它。在 2006 年的时候正式立项了,从 1994 年到 2006 年,经历了 12 年才把项目算是立项,可以开始建设了。我们的建设单位是国家天文台。科学目标主要是脉冲星、中性氢,还包括空间飞行器的测控等等方向的一些应用。

但是当实际开始建设的时候已经到了 2011 年,即使在开始建设的时候,还是遇到了很多的问题。首先是选择地点,从 1994 年提出这种概念开始,南老师就开始了寻找能够建设 500 米口径射电望远镜的地方,当时他找到了遥感所的聂乐平老师。聂老师是贵州人,所以他知道在云贵山区有很多的喀斯特地貌。天然的喀斯特地貌,水会渗透到下面形成暗河暗流将水流走。所以首先那个地方不会积水,还有,它会像一个个坑一样,望远镜建设的地方就是一个天然的大坑。

还需要一个很好的射电环境,那边的整个的电磁波的影响要对射电望远镜的影响比较小,本底噪声越低越好,这样相对来说就能探测更暗弱的信号。我们观测的频段刚好是包括手机信号的频段、飞机的频段,各种各样的频段,非常尴尬。就要找一个相对来说无人区的地方。FAST 在的这个地方,当时周边是非常荒凉的,只有 12 户人,离外面的最小的一个镇,建完路之后还得有十几公里,最早的时候连路都没有,贵州政府后来又建了很多的路,做了很多的基建,才能够开始建设射电望远镜。

基于这些情况,得到了一个天然的大坑,减少了建设成本同时它有很好的射电环境,周围没有手机基站,五公里都是一个射电禁区。同时它还有很好的一个地下的环境,这种地质环境能够让一些积水可以自动地渗下去,毕竟云贵那边的雨水也非常的多。十几年我们找到了最完美的一个坑。

在建设过程中又发现了很多问题。有一个问题是可以将球面变成一个抛物面,但是现实太骨感了,怎么让它变?前期做了非常多的实验,考虑用怎么样的一个面板,三角形的、四边形的,来组成这样的一个球面。还有中间要用什么样的方式拉,是用一个钢性的连接还是柔性的连接等等不同的方式,包括从运动、动力学,还有控制、耗能等等方面,我们集合起来,最后选择了一个方案,柔性的方案。就是现在看到的 FAST 方案。建设了一个直径 500 米的圈梁,底下有 50 个柱子。在这圈梁上面搭一个索网,等于是用一个大大的圈梁兜住了一个网兜,可以想象一个柔性的网兜变成一个球面。底下在每一个球面的网兜的节点处,都有一个下拉索往下拉,下拉索底下还会佩戴一个促动器。所以说,要用一个网兜的形式把它编织成中间都是三角形的形状,而每个三角形的各个节点的地方还会有很多的下拉索把它撑开。当整个撑开,受力控制之后,就会变成一个球面,同时受力变化之后就会变成一个抛物面。

这个概念说起来的话,就像这样子一个动图,看起来也很简单,但是在设计中又发现了,这样子的一个索网里面用到了 6000 多根钢索,每一根钢索大概 11 米的长度,需要在 500 兆帕的应力幅循环次数 200 万次才能够满足使用要求。但是在零几年的时候,这种标准是国际最高标准的 2.5 倍,没有任何一家厂家能提供这样的钢索。在那个时候确实是非常犯愁的一件事情。怎么办?我觉得特别真实的一个事情,很多大型工程在建设过程中,同样见证着国家的制造能力的提升。为了这个钢索,国内的厂家跟着我们一起做研发,实验了无数次的钢索,做了很多的实验,最后专门为 FAST 花了两年的时间研制了这样的钢索。

这样才有了现在看到的反射面。在这样的一个反射面里面,用到了一个直径 500 米的圈梁,里面用到了 6670 根主索,节点上有 2225 根下拉索,佩戴着 2225 根促动器。仍然困难的地方是,建成液压站然后分布来进行液压,还是要单独的一根一根液压驱动器。考虑到不可能因为一根促动器坏了之后我们就不工作,所以每一根促动器都会有一个油缸,这样子如果有任何的问题,只影响一个节点。后面还会去找,到底促动器的某一根坏了之后,会不会影响整体的一个变形,变形精度能不能满足要求。

这是促动器,现场看到的促动器的照片,设计非常的好,建设更美。这是促动器的一个图,你看底下的一个个基墩这样排过去,每一个会有个编号。在野外的建设中,从我们的设计单位、制造单位、建设单位,包括我们的测量单位一起来合作,把这些我们觉得很美好的一个设计变成了一个现实。

还有一个在 FAST 中应用的很有意思的,经常提到的并联机器人。先看看这一个视频。用六根绳索要牵引一个馈源,我们是用六根绳索通过受力的一个设计,让它牵引到 140 米的高空中来进行运动,可以大范围的 200 米范围之间运动。同时舱里面还会有一个并联机器人,来实时进行运动,有点像一个机头,怎么动它底下都是能够保证它的精度的。而这两个配合在一起的精度,就可以在 200 米的范围之内达到十毫米小球的控制精度了。在 FAST 介绍中,经常都会说到并联机器人。

下面说说我们的接收机。FAST 建得再漂亮,看起来再宏伟,你最终是为了接收信号。而射电信号怎么接收,就需要有接收机,刚刚提到的并联机器人底下就放着很多接收机。这也是一个很有意思的点,刚刚开始设计的时候会用九套接收机,频段从 70 兆到 3G 赫兹,但是在十几年的过程中会有很多的变化。后来我们跟国外一起合作,做了一个低频宽带接收机,覆盖了我们原来三套接收机。进行了很多的一些设计的重组,因为整个的尺寸还有要求等等都不一样,经历了很多折腾,折腾完之后我们发现真好。FAST 最早的一批科学成果都来于这个低频接收机。还有一台接收机是在 L 频段,手机原来的频段,还有现在的航空也都在这个频段,1G 到 2G 的频段,是 FAST 现在发现最多脉冲星的频段。

还有一个是测量,在野外的测量其实跟室内的不太一样。最早的时候觉得毫米级的测量能有多难,随便一个全站仪之类的都是亚毫米级或者更高精度的测量精度了。但是到室外就完全不一样了,室外的话会有大气的影响,各方面影响会更多,然后会发现太难了。然后做了各种融合 GPS,然后还有惯导,包括全站仪,各种测量各种融合来进行做。居然做到了绝对精度一毫米,这也是世界上最高的一个测量精度。因为有了这样的测量精度来保证,现在 FAST 的定位精度达到了十毫米的量级,而反射面板经过了这种实时标定的话,也是精度达到了四毫米的一个面型精度,这保证了 FAST 整个的精度水平。

在 FAST 中,会有很多的很新鲜的东西,在建设过程中会见证很多奇迹的产生,而这些奇迹也很有意思的是,还应用在了很多其他的地方,见证了这些奇迹带给中国的制造业,还有整个设计能力的提升,也见证了这些提升带来的后面的一些影响。比如说,我刚刚提到的 6000 多根钢索,它是为了 FAST 而生,后来它用在了港珠澳大桥的建设当中。

FAST 提出是在上世纪 90 年代,已经 20 多年前了,那时候概念真是太大胆了。在这过程中,从设计过程,到建设过程,其实很多的技术理论还很多空白,工业基础远远不够强大,其实就是靠着一股觉得怎么样都能建成、怎么样都能想办法那种猛劲来做的。当然这里面除了自己团队 100 多号人以外,其实也要非常感谢国内的很多高校和研究所,以及很多的工业单位来一起去迈过了这些坎儿,一起实现了 FAST。所以,FAST 的实现其实是有天时地利,更有人和。

从 2016 年建成,到 2017 年开始调试,2019 年 4 月份的时候通过了工艺验收,所有指标都满足了最初的设计指标。听起来用了 15 个月完成了调试好像很长,但其实国际惯例一般在四年左右,等于缩减了那么多的时间而且还一次性的达到了设计标准,所以在设计的验收、包括最终的国家验收中,都给予了非常高的评价。

非常万幸的是,现在已经收获了 340 余颗的脉冲星,而且还发表了一些高水平的论文,更多的开始发表在国内的期刊上面,我们本身的目的就是为了国内的天文学家能够有一个自己的观测时长。

FAST 也得到非常多的荣誉,所以作为建设者来讲的话,我们会觉得很有意思。最初像是被忽悠进了这个大坑以后,经过了天马行空的设想,到最终被誉为“国之重器”。在设计之初的时候,我们参与项目之初的时候,只是会觉得臣服于它的设计来到这个团队。中间很多次也会迷茫,觉得到底能不能建成这样一个望远镜,到最后建成,然后到它的整个的设计指标的达成的时候,觉得好像质疑声少了一些。因为大家的目光是在这几年才接触到 FAST,所以没有听过那么多的质疑声,但是我们是在质疑声中长大的,就像总工姜鹏说的,我们做工程虽然讲究的是奉献,但是做好工程是尊严。出成果了作为建设团队来讲,好像是已经算是完成任务了,但是其实我们的任务还更加的艰难和更加的繁琐。

在国家验收完之后,在去年的一月份成立了 FAST 运行和发展中心,目的就是更好地运行好这样一个望远镜。因为我们看到的是一个“国之重器”的建成,但是它之后如何运行其实会更加难。我们有完善的服务链条,要服务科学家、天文学家,有自己的网站,还建立了专门的数据中心,这个也非常感谢院里大科学装置给予的支持,让我们能够在这几年对于数据中心有个很好的提升,因为观测时长比我们预期的要多得多。去年在疫情期间,我们有两个月的一个大的整修期,在除掉这两月之后,几乎每一天的观测都在 20 小时以上,所以会有非常大量的数据。也是因为这样的话,现在开始慢慢形成自己完善的一个数据中心。

在未来,还能干些什么?别人说你们做工程的应该差不多了,因为有了这样的工程经验,还有这样子的一个设计的过程,还认为 FAST 还能做些什么,还能再做些什么?总工姜鹏提到说,我们用 FAST 能不能试试雷达天文学。这也是一个新兴的科学,它是说有个主动雷达去向天体发射信号,用 FAST—— 高灵敏度的这样一个望远镜来接收这些信号,从而来进行天体结构的一个分析,还有包括一些天体测距方面的研究。同时我的同事们还正在做先进的接收机系统。

在今年的年初,非常荣幸地得到了国家领导人的亲切的关怀,对未来的发展给予了很多的期望。其实我们就是带着这样的期望,还带着小小的情怀,最初的初心,还在继续。同事们都还在坚守在这里,十几年从刚刚毕业的学生,然后到现在 30 几岁、40 岁的中坚力量。能够和他们一起工作,觉得很幸运,而且还一直坚守在这里。而在未来的话,我们还将守护在 FAST,相信 FAST 会带给我们更多的科学发现,也期待大家和我们一起期待新的科学发现。

演讲者:姚蕊

文字整理:猫撸火锅

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关键词:FAST射电望远镜天文

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