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这口“大锅”怎么就成了2019年重大科学事件?

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出品:“SELF格致论道讲坛”公众号(ID:SELFtalks),原标题为《这口“大锅”是如何被《自然》杂志盯上的?》


它被称为“中国天眼”,具有我国自主知识产权;它使人类对宇宙新知的探索更进一步;它的全面运作被《自然》杂志预测为2019年重大科学事件。它就是世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(简称FAST)。它如何吸引到全世界的目光?它又到底看到了什么?


中国天眼



500米口径球面射电望远镜(简称FAST)被誉为“中国天眼”,由我国天文学家南仁东于1994年提出构想,历时22年建成,于2016年9月25日落成启用。是由中国科学院国家天文台主导建设,具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。

 

“天眼”是世界上最大的单口径射电望远镜,反射面的面积相当于30个足球场的大小。如果把它比喻成一口盛满水的锅,水量足够全世界每个人分4瓶,够所有人喝一天。可以想象它的难度有多大。


为“天眼”找个坑



1994年我国准备自主建设射电望远镜。但全国这么大的面积,上哪儿找这么大的坑?而且这个坑要满足四点要求:坑要圆;交通方便;相对的隔离;没有无线电干扰。

 

贵州符合这些条件,但虽然知道有洼地,贵州洼地成千上万,怎么挑到最合适的?这中间遥感发挥了很大作用。最后选来选去,选到了大窝凼洼地。

 

点定下来以后需要实现最小的工程量,工程量太大花几个亿的成本开挖也是不行的,而且这个项目对地基的要求非常高,而喀斯特地貌复杂多样,通过不断的勘探、取样、编程测算,达到开挖量最小、最稳定的要求,才把位置最终定下来。

 

望远镜有三大创新点,选址也成为创新点之一


让“天眼”动起来

 

FAST的反射面被喻为“天眼的视网膜”。500米口径的钢梁架在50根巨大的钢柱子上,由6670根钢索编织的索网挂在环梁上,上面铺着4450块反射面单元,下面有2225根下拉索,固定在地面的触动器上。通过触动器拽动下拉索,可以控制索网的形状,或球面或抛面,从而进行天文信号的收集和观测。


对这样的难题,首先要完成它的结构设计。反射面单元共4450块,380多种种类。人类目前所知道的最多的正面体是正二十面体,没有更多正面体的可能性,所以整个索网分型是在正二十面体的基础上进行进一步的划分,目前“天眼”的反射面单元已经是能划分成最均匀的一种网格划分形式——短程线分型形式。


 

另一个比较特殊的结构设计是它的连接方式。500米直径的钢梁,温度变化1度会产生6毫米的变形,变化50度会产生300毫米的变形。对于钢结构来说,300毫米的变形会产生很大的附加应力。所以FAST采用了完全特殊的设计——滑移支座。

 

5800多吨的钢梁放在50根柱子之上。环梁和柱子之间设置滑移支座,通过滑移支座,钢梁可以在50根柱子上自由地收缩或者是扩张,发生热胀冷缩时就可以把它的变形全部释放掉。


 


那么如何对反射面进行测量呢?使用全站仪,通过测角和测距的信息测算它的空间位置。全站仪是激光的,有了精确位置,通过触动器实现对节点位置的控制。下图黄色的设备就是触动器,它是液压的系统,可以在正负一米的范围内进行运动,控制索网的形状。



这么大的工程,安装也具有其特殊性。先把反射单元从拼装场地吊到空中,放到下图的车上,通过滑梁上放到篮索吊,顺着篮索吊溜到反射面相对的位置。同时有工人在几十米的高空等着,反复一颗一颗把4450块单元安装成功。


索网



一句话形容“天眼”的索网结构:它是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的一个索网工程。一般一项工程有一项世界第一已经很难了,但是这个索网却集了三项世界第一,可以想象它的难度有多大。

 

索网面临的第一个问题是索疲劳问题。FAST的索网需要变形,一会儿是球面,一会儿是抛物面,以对不同天体进行观测。它的钢索更像是弹簧,对疲劳的性能要求极高。

 

首先要评估它的疲劳性能,预估未来30年望远镜的运行轨迹,从而进行大规模的力学仿真。通过轨迹的计算可得出6000多根钢索中每一根钢索在未来30年的应力失常曲线。



对它的应力幅进一步分解,可得到每根索在未来30年所承受的应力幅,包括疲劳次数,从而得到疲劳损伤分布图。根据上图,越中间疲劳损伤越多,越中间用的几率越大。


其次还要考虑不确定因素。比如观测时长,“天眼”的设计寿命是30年,但希望它30年后还能使用,要考虑观测年限的不确定性。

 

还有科学目标的调整。科学观测模式的变化也会引起应力幅度的不同,而且所有的仿真计算是在理想状态下进行的,若有些设备发生故障,它产生的应力幅疲劳损伤跟理想状态是不一样的。

 

FAST团队进行了有史以来最系统、最大规模的一次索疲劳试验,经历过所有可能发生的各种破坏的形式后,终于历时两年研制出了适用于FAST的成品钢索结构,实现了钢索强度500兆帕,200万次的设计要求,是传统规范的两倍还要多。

 

钢索的难题不光如此,对精度也有很高的要求。索网呈短程线分型,球面分型使得每个索不可能都是一样的长短,几乎每根索都不一样。对于这样的索网工程需要毫米级的成型精度,一根索加工或者安装错了,都会导致整个索网无法精确成形。主要有以下三面的考量:

 

温度变形的影响。索的加工精度要求到1毫米,温度的变化要考虑,因此团队专门建了一个恒温间进行成品索加工。

 

构件间隙的影响。构件与构件之间并不是紧密联系,如果每根索差1毫米,到索网边缘就会差60多毫米,很难再制成高精度的索网。

 

影像记录。以查明操作过程出现的失误。

 

之后就涉及索结构的安装。牵索耳板需要实现精确定位,设计指标要求两毫米,如何做到呢?在耳板周围的150个钢索上布置力传感器,用力控代替形控,力控和形控相结合解决问题。

 


安装时,索是在空中一根一根拼上去的,6000多根索,2000多个节点盘,上万个关节轴承,都是在空中一个个散拼的。

 

天眼的瞳孔


 

馈源舱被誉为“天眼的瞳孔”,主要作用是对电磁波信号进行收集,它在整个望远镜装置里显得非常小,这样小的体积有很多好处:尽量减少光路的遮挡,收集更多的信号。此外,它的波束非常干净的,它可以一直看,使我们看到想看的东西。

 

馈源舱有两级控制

 

第一级:通过6根4、500米长的钢索把馈源舱吊到140米的高空,在200米的尺度范围内要控制到48毫米以内。


 

第二级:馈源舱里面有Stewart平台,馈源舱在空中,如果风一吹,舱体难免会随着晃动,需要有平台稳定住接收机稳定住,这个平台的设置保证FAST能精确地收到信号。


此外,它同时还可以对整个接收机实现二次精调定位,一次控制在48毫米以内,二次控制可把望远镜控制精度RMS控制在5.4毫米以内,姿态和位姿可以控制在0.3度,慢慢地把一个模糊的天眼调整为视力正常的天眼。


逐渐睁开的“中国天眼”


“天眼”于2016年9月25日落成启用,将在2019年9月全面运作并供研究人员使用。

 


这是FAST在2017年10月10号新发现的两颗脉冲星。

 

脉冲星是高密度的天体,一颗方糖大小体积的脉冲星质量可达上亿吨。它的发现将有可能为我们揭示更多极端物理条件下的物理规律,被誉为“宇宙最精确的灯塔”。探测到这个脉冲星的就是我们的中国天眼,这也是中国自主研发的天文设备第一次探测到新发现的脉冲星。

 

同时它可以以超高的灵敏度阅读由21厘米线谱写的宇宙历史,有可能探测到更早期137亿光年之前的宇宙。


还能主导国际VLBI电网,实现高分辨率、高灵敏度的天文观测,有可能把我国的空间探测和通讯能力延伸到太阳系的边缘。


本文内容来源于姜鹏、聂跃平演讲,本文出品自“SELF格致论道讲坛”公众号(SELFtalks),转载请注明公众号出处,未经授权不得转载。

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