神话娱乐城送58:从困难重重到创造奇迹 历数FAST五年半建设之路

从困难重重到创造奇迹 历数FAST五年半建设之路
2019年09月20日 10:21 老虎机手机app

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  出品| 新浪科技《科学大家》

  撰文| 姜鹏 中科院国家天文台研究员、FAST总工程师

  千百年来,人类都是通过可见光去观测宇宙和天体,通过光学望远镜,人们发现了银河系,了解到月球表面并不光滑等等。

  哈勃望远镜的出现使人类对宇宙的观测更加深入,之前认为是荒芜的地方发现了很多星系。这时,人类才反应过来,原来宇宙是由不同的星系组成的。

  通过对宇宙的观测,人类了解到宇宙是在不断膨胀的,这引发暗能量存在的假设,这一系列辉煌的成就都是因为光学望远镜的存在。

  用光学望远镜观测宇宙,有几个比较巧的现象。一是人类的传感器“眼睛”刚好在可见光波段具有感知能力;二是太阳这类恒量天体在可见光波段发出的能量比较强;三是厚厚的大气层在这个波段是透明的。

  所以我们好像是理所应当的应该用光学望远镜来观测,但其实厚厚的大气层还隐藏着另外的波段:无线电窗口,但人类不具备这个波段的感知能力,这一波段主要靠射电望远镜来观测。

  偶然的机会 人类发明了射电望远镜

  既然人类不具备这个波段的感知能力,那么人类是如何发现这个波段的呢?比较有意思,Karl Jansky既不是天文学家也不是天文爱好者,却在偶热的机会发现了这一波段。

  当时有线电话刚刚开始推广,经常会受到信号干扰,于是贝尔实验室就委托他去查明原因。

  Karl Jansky 建造了一台天线,通过长时间的观测,他发现干扰来源是雷暴天气,同时他又发现了一个非常稳定但又比较弱的干扰信号,24小时一个周期,每天到达的时间都非常固定:比前一天提前4分钟。

  经过一年的观测,他猜测这个信号源自银河系中心,他把这些研究成果整理发表在了美国的一本无线电工程学报上面,这本来是一个领域的开篇之作,却就这样发表了,从这里也能看出,Karl Jansky是一个对天文没多少兴趣的人。

  后来,另一位雷达工程师雷柏,在大学的时候看到了Karl Jansky的研究成果,认为非常有意思,便自掏腰包在家里后花园设计出了第一台真正意义上的射电望远镜,用现在的眼光去看,这台射电望远镜堪称完美,今天所有的射电望远镜都没脱离这个框架。

  通过长时间的观测,雷柏印证了Karl Jansky的研究结论,这个干扰信号确实来自于银河系中心,不过大家并没有忘记Karl Jansky的贡献,还是尊他为射电天文学的鼻祖。

  综合口径技术让射电望远镜 “如虎添翼”

  射电天文学刚出现的时候,并没有得到大家的关注,其核心的原因是,它在分辨率上天生有缺陷。

  衡量一台望远镜的好坏主要有两个指标,一个是灵敏度,一个是分辨率。直到M.Ryle发明了综合口径的技术,其基本原理是:用相隔两地的两架射电望远镜接收同一天体的无线电波,两束波进行干涉,其等效分辨率最高可以等同于一架口径相当于两地之间距离的单口径射电望远镜,因为此项发明,他获得1974年诺贝尔物理学奖。

  自此,射电望远镜的分辨能力得到大大提高,分辨率甚至比光学望远镜还要高,今年首张黑洞照片问世,背后所利用的技术就是综合口径技术。

  自此,射电天文就得到蓬勃发展。1957年,英国人已经把望远镜口径做到76米,1961年,人类在南半球建造了第一台射电望远镜,迄今发现的近三千颗脉冲星中,一半都是这台望远镜发现的。2000年,美国建造了口径为100米的望远镜。

  从雷柏创建的第一台直到现在,射电望远镜的发展历史其实就是人类追寻灵敏度的历史。口径越大,观测的灵敏度就越高。只有这样,人类才能观测到更遥远的宇宙星系,有助于科学家分析宇宙的演化历史。

  但自从1972年德国人把口径做到100米以后,射电望远镜的口径便停滞不前,这也表明,在材料的制作工艺没有得到跳跃式发展前,很难突破百米口径。

  难道百米口径是个极限吗?我们真的无法突破这个极限吗?1962年,美国的大耳朵望远镜进行了尝试,但并未成功。

  怎么才能建造更大的射电望远镜

  在机缘巧合下,科学家发现了建设500米口径球面射电望远镜(以下简称为FAST)的理论基础:抛物面与球面的机缘巧合。抛物面的结构特性能把平行光汇聚到一个点上,所以传统的射电望远镜都做成抛物面,那么球面和抛物面大概有多大的区别呢?之前人们并没有思考过这个问题,上个世纪90年代,中国的科学家就计算了下,一个300米的抛面,只要选择合适的焦比,它的球面和抛物面的偏离距离只有0.47米,这0.47米就是FAST的基石,如果这个距离是4.7米或47米,就不会有FAST了。

  有了这个发现之后,一个概念就应运而生:我们先建一个基准球面,半径是300米,口径是500米,然后在表面放上微小的驱动装置,只需要微微的改变反射面的形状(0.47米),就可以形成一个抛面,就可以把平行光汇聚到一个点上了。

  然后将接收机以正确的姿态放到焦点的位置上来接收信号就可以了,这就是FAST的基本原理,并没有想象中的复杂,但要想把这个望远镜成为现实的话,至少有三件事情要做。

  建设FAST,需要做好三件事

  第一:要找个合适的“眼窝”:台址。如果是平地挖出这么大个坑的话,可能就需要几十亿人民币,远比建一台望远镜花费十几亿人民币还要多,所以一个天然的洼地是必不可少的;

  要有一个优良的电磁波环境,人要非常少,人并非是干扰源,但是人们日常生活所用的电器手机等,是电磁波干扰的主要来源;另外,排水要好,不能有积水,一旦积水的话,望远镜的电子设备使用寿命会受到影响;最后,基础要足够稳,不能有沉降,这是建设大型精密设备非常必要的条件。

  第二:主动反射面方案的取舍。经过反复研究,大家建议能不能采用柔性索网的方法来进行建设,这样通过改变形状就能完成球面与抛物面的转换。但是索网是挂在周围的山体上,还是单独建一个环梁结构?是采用三角形划分网格还是采用四边形来划分?控制锁是采用一根还是三根?这些都是我们需要思考的问题。

  现在大家去看FAST,可能会觉得FAST就应该这么建设,但是在建设之初,这里面经过很多很多的变化,都是经过大量设计、演算才得出来的,有很多的奇思妙想不为人知。

  第三:如何实现馈源的高精度定位。如何对接收机进行高精度的定位,这是建设初期必须要解决的问题。科学家用6根钢索连接着馈源舱,通过钢索来控制馈源舱的位置,要实现什么样的精度呢?一个30吨的馈源舱,通过6根钢索,在140米的高空,在206米的尺度范围内,控制在10毫米以内。

  我是做工程出身的,一开始我认为这根本不可能实现,但科学家太聪明了,通过在舱内加入一个AB转台,Stewart 平台就非常巧妙地实现了馈源舱的精准控制。

  到这时,FAST望远镜的原理模型已渐渐清晰了,同时为了验证方案的可行性,我们做了大量的实验。

  困难重重的建设阶段

  在500米的跨度上,很多平时注意不到的问题都会变成大问题。比如,温度变化1度,就会带来6毫米的变形,如果建设时把圈梁和柱子设计成一体的话,温度变化时,就会带来很大的变形。

  因此要设置一个自适应机构,来解决热胀冷缩带来的问题。经过一年多的实验验证,我们设计了滑移支座方案,解决了这个问题。

  在解决所有问题后,2011年3月份,FAST开工建设了。

  虽然台址并不算大,但也涉及到方方面面的工程,如道路工程、隧道工程等。

  索疲劳问题:差点让FAST毁于一旦

  这么大的工程,肯定有我们一开始没有想到的问题,其中的一个比较致命的就是索疲劳的问题。索疲劳的问题是什么呢?在结构里,索网结构是一个变形的载体,它需要在球面和抛面面间进行变形,它对疲劳的性能要求很高。

  当时我们进行了疲劳评估,预测未来30年FAST的观测轨迹,可以得到每一根索在未来30年的疲劳次数,进而通过各种算法,得到的评估结果为:500MPa应力幅、200万次循环加载。

  这是从未实现过的疲劳性能!

  一开始我们也不知道这样的评估条件是什么样的标准,我们从市面上知名厂家买来十根钢索,一进行疲劳实验却傻眼了,均失败了。

  这件事也很快地在天文圈传开了,很多人都说FAST要完了,因为这是材料工艺出了问题,并不是设计出了问题。如果设计有问题,我们可以重新设计,但材料工艺出问题却很难解决。

  为了解决这个问题,我们进行了最大规模的疲劳实验:超高疲劳性能钢索的研制,经过两年艰苦的研发工作,最终攻克了FAST的核心技术,我们全方位地改变了钢索的制造工艺,包括扭制工艺、涂层工艺等,最终研制出适合FAST的钢索,这是FAST能往下继续推进的一个非常重要的关键点,如果这个问题没有解决,大家也就不会看到今天的FAST。

  超高精度的制造要求

  FAST的每根钢索制造要求误差在1毫米,神话娱乐城送58:近万根钢索编织的索网,如果每根误差几毫米的话,所有的误差加起来就会很大。

  如何能做到这样的精度控制呢?这也是我一直思考的问题,传统的钢索误差为15毫米左右,而FAST要求在1毫米,为了达到这个精度,很多问题都需要我们考虑。

  比如说温度的影响,我们在车间里建一个恒温室,材料都要提前24小时运进恒温室,所有的钢索都在恒温室进行加工;所有的配合都采用无间隙的过盈配合,什么叫过盈配合?就是轴比孔还要大一些,采用液压千斤顶挤进去,来消除间隙;所有的加工都采用带载调节,比如说钢索在受力100吨时为11米,那么我们在加工的时候就要受力100吨,把长度控制在11米,同时误差不超1毫米。

  FAST究竟有多大?

  就这样,凝结了几千名一线工人汗水和科学家的智慧,历时五年半的FAST工程终于建设成功了。

  那么FAST究竟有多大呢?这是我经常被问的一个问题。一群充满好奇心的同事曾算了一下,如果把FAST想象成一口锅,装满水,全世界75亿人,每人能分四瓶矿泉水。

  FAST建成之后仅仅是开始:极具挑战的调试工作

  因为强交叉学科的特点:天文、力学、机械、测绘、计算机、电子学、结构工程等,国际上传统大型望远镜的调试周期都不少于四年,对于FAST来讲,调试过程就更复杂了。

  如何解决反射面的安全问题呢?重30吨的馈源舱在140米高空上,如何保障安全问题?我们建造了一个计算机模型,在计算机上实时模拟FAST,FAST如何运作,在计算机上就如何模拟,运用实时力学仿真技术,就大幅度地提高了系统的容错能力。

  毫无争议 FAST成为世界上最灵敏的射电望远镜

  有了各种测量手段的支持、控制技术的支持,毫无疑问,FAST成为世界上最灵敏的射电望远镜。它的灵敏度比设计指标高出30%,达到2600平方米每K。众所周知,灵敏度是和接收面积成正比,FAST的灵敏度是世界上第二大望远镜灵敏度的3倍,而接收面积却只有它的1.9倍。

  全部指标一次性测试通过

  包括指向精度、灵敏度、太空覆盖、分辨率等在内的16项指标一次性测试通过,其中指向精度和灵敏度这两项关键参数优于验收标准。

  有了阶段性的科学成果

  FAST到现在一共发现了134颗脉冲星优质候选体,认证了93颗脉冲星,因在灵敏度上的优势,在单脉冲观测方面,FAST打开了一扇新的大门,首期科学成果已在《Science China》上形成了一个专刊。

  目前FAST已经对外开放了,2019年4月份,FAST通过工业验收,标志着FAST使用指标达到了国家的标准。

  亲身参与这个工程,并一步步见证它走向成功,我很自豪是这一伟大工程的参与者和见证者,也期待它在未来创造更多的奇迹。

  (注:图片由姜鹏提供)

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