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全球最大射电望远镜首台天线庄里造

2018-02-12 11:13 作者: 王晓优

  一片雪花掉落地面时产生的能量,超过了迄今为止射电天文领域接收到的所有能量。如何拾取这些微弱的信号?平方公里阵列射电望远镜(以下简称SKA)正是为回答这些具体问题而设计的一个望远镜。
  日前,望远镜核心设备——天线样机SKA-P,由中国电子科技集团公司第五十四研究所(简称54所)研制完成。这意味着,世界最大的射电望远镜“军团”SKA有了第一个“士兵”。
  

概况
全球最大望远镜首台天线启动

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■54所研制的碳纤维副反射面


  日前,由中国主导研制的SKA首台天线(SKA-P)在54所启动。
  SKA-P是一台15米口径的反射面天线,底座高10米,整个天线高达21米,重量为42吨。据介绍,这个庞然大物包含主副两个反射面,主反射面是一个15×20米的长六边形,由66块曲率各不相同、边长约3米的三角型面板拼装而成,面积达235平方米,超过半个篮球场大。
  SKA是人类有史以来建造的最庞大天文设备。它的“最大”,不在于单个望远镜的比较,而是一个最大的“阵列”。
  目前世界上最大单口径的射电望远镜,是位于中国贵州的500米口径球面射电望远镜FAST。如果说FAST是射电望远镜中单打独斗的“超级英雄”,那么SKA就将是射电望远镜中团结合作的“第一军团”。
  SKA是国际大科学工程“平方公里阵列射电望远镜”的简称。按照规划,SKA台址位于澳大利亚、南非等8个国家的无线电宁静区域,将由大约2500个SKA—P这样的15米口径反射面天线组成超级阵列,两个天线之间的最远距离为3000公里。这些望远镜天线的光线收集区面积加在一起,共计约1平方公里,因此得名“平方公里阵列”。
  SKA项目也是继中国参与热核聚变项目之后,参与的第二个国际大科学工程。
  

SKA将回答宇宙的基本问题
  SKA始于上世纪九十年代初,是国际天文界计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜,也是人类有史以来建造的最庞大天文设备。它是多国合作、共同出资的国际大科学工程。全球约20个国家上百个大学和科研机构的天文学家和工程师参与项目研发。
  为什么要建设这么庞大的望远镜军团?“一片雪花掉落地面时产生的能量,超过了迄今为止射电天文领域接收到的所有能量。这让我们了解到这些射电信号有多么微弱,以及为了拾取这些信号,系统需要多么敏锐。我们试图从宇宙的黎明中发现这些微弱信号,因此需要一个巨大的接收面积。望远镜接收面积越大,就能接收到越微弱的信号。单个望远镜做成FAST那么大,已经接近物理极限。而小望远镜组成的大阵列,理论上可以无限扩展。”SKA项目天线设备承包方——54所首席专家杜彪介绍。“SKA的建设将为现有工程技术和研发水平带来质的飞跃,颠覆人类对宇宙和基本物理定律的理解。”SKA天线工作包联盟主席、中国电科SKA办公室副主任、54所专家王枫介绍,SKA性能惊人,它能探测50光年之外行星上机场雷达发出的信号,观测到130多亿年前宇宙大爆炸开始不久的宇宙现象,同时,它将回答关于宇宙的基本问题,如宇宙的第一缕曙光、宇宙的结构形成、宇宙中的生命起源等,这些问题必将开辟人类认识宇宙的新纪元。

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■SKA第一台天线样机正在安装

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■54所出厂的SKA第一台天线样机
  

揭秘
2000张图纸绘出三角面板

  如今,成功启动的SKA-P,在10米高的底座上,缓缓转动,犹如一只机敏灵活的“大耳朵”,俯仰之间,从15°到90°缓缓扫过天际;水平转动,左右270°从容巡视天空……
  据悉,SKA天线样机SKA-P的设计和建造由中国电科54所主导承担,其创新性设计于2015年5月提出,在同年11月召开的天线设计方案国际评选会上,由多名专家组成的国际评审委员会一致推荐中国设计方案作为SKA—P的唯一研发方案。
  说到54所,河北人都不陌生。“我们所自成立起,已经做了66年的天线。”杜彪介绍,而SKA项目,则是至今为止挑战性最大的一次。“主要难点是要国际合作和科学驱动,没有固定的指标,整个团队既要研发,还要参与主导。同时,产品还要实现高性能和低成本。”
  这其中,就需要这支平均年龄35岁以下的科研团队不断探索、创新。
  SKA-P结构负责人、研究员刘国玺举例说,建成的SKA—P包含主副两个反射面,主反射面是一个15×20米的长六边形,面积达235平方米,由66块曲率各不相同、边长约3米的三角形面板拼装而成。要知道,此前反射面都是由扇形面板拼接而成的,每一圈都是同一种面板,整体下来也就需要几十张图纸。而改为三角形后,对每一块面板的精度要求极高,仅面板图纸就需要2000多张。
  还有反射体背架,SKA要被安装在非洲,本次设计还要考虑到运输成本、使用环境的复合因素,最终确定了钢性高、不易变形的复合材料。
  此外,SKA-P是国际项目,要用数据说话,刘国玺介绍,SKA-P的计算方法和建模全部是团队自行研发,拥有完全知识产权。
  

设计制造实现一体化
  如果创新设计无法实现,那也是空话。
  在SKA-P的研发中,让设计制造一体化。主、副面面板研发负责人、高级工程师王海东介绍,三角面板精度高、稳定性高,制造团队十几位成员经过30多次工艺攻关,不停调整,让SKA-P的面板更轻、更省电。“反射面单元精度误差仅有半个头发丝的厚度,精度可控,完全自主生产。”杜彪介绍,中国产样机最终在技术上满足SKA所有指标要求,同时还将天线重量减少到以往同类天线重量的三分之二,降低了天线建设成本、提高了工程建设效率,为未来SKA项目的顺利实施奠定了强有力基础。
  

螺旋球和杆构成立体天线
  SKA-P的天线是由螺旋球和杆组成的,它们可以拆分,装进集装箱,便于运输。
  但是,这对于工程师来说,可是个巨大的挑战。天线工艺装配测试负责人、高级工程师赵均红将这个巨大的天线网络,比喻成一个巨大的“立体模型”。
  每一个螺旋球的构成都不一样,球上每一个插口都要对应一个杆,杆的长度也不一样,装配顺序一旦错了,整个天线就无法闭合……同时,SKA-P要在沙漠里昼夜不停地转动50年,如何保证这些拼接起来的球和杆,能够像焊接一样结实?
  对此,赵均红做了一年的试验。“先是在电脑上反复计算、测试,搭配出一套最合理的数值,最后再实际操作。”赵均红说。
  

影响
作为成员国,有望获得一定观测时间

  首台天线启动,标志着SKA工程即将进入建设阶段。据王枫介绍,SKA建设将分为两个阶段:SKA1和SKA2,SKA1建设阶段项目总投入约6.74亿欧元,预计在三年左右建成130台天线,该阶段为试观测阶段,为SKA2大批量生产奠定工程技术、经费和科学观测基础。
  目前,SKA各成员国正在协商出台SKA天文台公约。据了解,SKA1建成后,各成员国可以按照出资情况和贡献度按比例获得一定的观测时间,可以共享SKA获得的各项原始数据。“SKA‘看’得更远,‘看’得更清楚,必定会发现更多的天外星系,为人类带来很多意想不到的科学发现,一定会极大地推动我国天文、物理及信息技术等相关领域的研究水平,提高我国在国际上的影响力和地位。”杜彪说。
■文/河北青年报记者王玎 通讯员庄芳

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