【CC演讲】姜鹏：FAST—睁开“天眼”看宇宙（科学）
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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？ |
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姜鹏
国家天文台研究员 博士生导师
FAST调试组组长
我叫姜鹏，来自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。
射电天文学的诞生
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，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，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。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。
FAST开创新模式
1993年的国际无线电大会上，由中国在内的十个国家提出一种倡议，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。
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。
FAST 到底有多大
FAST到底有多大？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，够我们所有人好好地喝几顿的，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，把这个望远镜调试好、运行好，产生更重要的科学成果。
台址的选择历经13年
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，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。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，人的活动是比较少的，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，我们不希望建造一个望远镜到处都是人的干扰信号，那么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，地质条件相对来说比较稳定，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，遇水会溶解，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，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，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，就形成了两片洼地，其中一片是一万多平方，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。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场地，可以说这是没有条件创造条件。
我们整个的基础工程都是人工挖孔桩，都是人工挖出来的，因为它的台址条件非常差，大型设备没法进场，都是采用人工挖孔的形式，一米一米地往下挖，最深的人工挖孔大概将近40米，人在下面作业的时候，连呼吸都很困难，而且井上作业人员和井下的作业人员要有非常高的信任度，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。
天眼的视网膜
把反射面可以比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，它会连带我们固定地面上的一个促动器，就是这个黄色的装置，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，这个剖面跟球面之间的差距也在一米的范围以内，而且每个主索节点上，我们都会设置一个节点靶标，右边这个黄色的靶标。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，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。
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，汇到接收机这里去。
为了实现接收机到精确的位置，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。
工程难度有多大
我们这项工程有些还是有很难的地方，最重要的一个就是我们索网工程，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。其实它最重要的一个难点就是疲劳性能的要求，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，我们为了研制这种钢索是费尽了心机，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，每个钢索的加工精度要求达到一毫米，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，就可以消除温度变形的影响。同时每根钢索要在待载条件下测量长度，比如它在实际工况下受载是95吨，就要拉到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。
另外一个是它安装难度非常大，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，长度不一样，加工的载荷不一样，它的截面尺寸也不一样，如果这些索装错了一根，哪怕那个节点盘的方向换一个方向，这个索网可能就成不了型，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。
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。所有的安装方法都是针对它特殊设计的，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，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2016年9月25日实现落成启用的，我们项目总投资大概是11.8个亿，相当于一公里地铁的造价，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。
调试的难度
这个是望远镜现在的一个状况，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，包括二次精调平台和AB轴等，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。
我只以馈源支撑的调试为例，我们馈源支撑分为五个子系统，子系统是由五家单位完成的，每家单位各自完成自己的任务就算完成了，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，第一级是通过六根几百米的钢索把馈源舱第一次定位在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地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2017年8月17日，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，逐步把望远镜的波速形状由以前不太理想的状态调到理想状态。
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，我们通过这个望远镜发现了六颗脉冲星，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也是射电望远镜的一个重要的性能，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。
2017年8月27日，我们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，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。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。
我们这个望远镜，还有很多其他的用途，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。
编辑：艺之
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