观天巨眼FAST：“大锅”告成

佘惠敏

2015年的7月3日中午，贵州省平塘县克度镇大窝凼洼地，500米口径球面射电望远镜FAST装上了最后一块反射面板，世界最大的单口径射电望远镜就此大锅告成！

“FAST工程从设计到技术，从材料到建造，基本都是国产化，既是中国制造，更是中国创造！”FAST总工艺师、反射面系统总工程师王启明自豪地说。

这口世界最大的“锅”是怎么做成的？它凝聚了哪些自主创新的努力？

眼窝：精挑细选“天坑”搭就

“从1994年启动贵州选址工作，到现在已经22年了。”大锅告成之际，国家天文台副台长、FAST工程常务副经理郑晓年的感慨中满是岁月的沧桑，“22年来，我们一直在研究，中间遇到很多困难，不断克服。”

射电望远镜是用来观察、接收和分析宇宙中电磁波的天文学利器，它帮助科学家们发现了脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子……诺贝尔奖历史上基于天文观测的10项获奖成果中，有6项都出自射电望远镜。

射电望远镜的基本原理和人们常见的锅式卫星天线差不多，都是用“锅”的抛物面反射信号，通过“锅”的反射聚焦，把信号聚拢，以便用馈源“天线”接收信号。“锅”越大，就越能接收到微弱的电磁波，我们观测宇宙的“视力”就更好。

在FAST之前，人类最大的单口径射电望远镜是阿雷西博射电望远镜（Arecibo），这个望远镜由美国人建在波多黎各，它顺着山坡固定在地表，直径达305米。

FAST这口“锅”更大，接收面积相当于30个足球场，直径达到500米。

要造如此巨大的“锅”来观测宇宙，所遇到的挑战是空前的，首先从设计上就要打破常规。

郑晓年介绍，中国的FAST望远镜有3项最重要的自主创新，首先就是利用贵州天然的喀斯特洼坑作为FAST台址。

从1994年开始，国家天文台专家利用遥感等技术，在全国范围内海选合适区域，之后多次现场考察，分析了400多个洼地，制作了90个候选洼地的高分辨率数字地形模型图像。

贵州省的大窝凼洼地以绝对优势，从400多个候选者中脱颖而出，成为最终胜利者——

大窝凼的天坑洼地，其地形和尺度与500米望远镜的体态相匹配，减少了施工工程量；

大窝凼的喀斯特地貌富含裂隙溶洞和地下暗河，这些天然排水通道可以避免雨水积聚灾害的发生；

大窝凼5公里半径之内没有一个乡镇，远离各类人为电磁污染，帮助FAST排除观测干扰；

大窝凼所在的贵州黔南地区冬暖夏凉，气温长年在20摄氏度左右，大型反射面金属材料的热胀冷缩问题小，FAST既不需“冬眠”，也不怕“中暑”；

大窝凼风速小、风向少变，由6根数百米长的柔性悬索吊挂在百米高空的馈源舱，可以做一个安静的美男子，不怕被大风吹成秋千；

大窝凼所在的贵州不是地震多发地带，FAST这样的大型精密工程可以稳定地长时间运营。

如果说FAST是一枚观天巨眼，那大窝凼这个精挑细选的天坑无疑就是一只天造地设的眼窝。以整座山窝作为台址，是一项道法自然的创举，让现代科技的精密与大自然的伟岸相辅相成。眼球：里级跨度毫米级精度

FAST的第二个重大创新，是在“天坑”内铺设数千块单元，组成500米球冠状主动反射面。

“美国人的Arecibo是固定望远镜，不能转动，只能通过改变天线馈源的位置扫描天空中的一个带状区域。”郑晓年说，FAST的主动反射面能按跟踪要求精确变位，“跟美国比起来，我们的效率更高，精度更高。”

这是—个巨大挑战。

FAST超级大，反射面总面积25万平方米。它还超级重，圈梁、索网和6座支撑馈源舱的高塔用掉1万多吨钢材，反射面板用掉2千多吨铝合金。

但同时它又要求超级精微的控制。密布在反射面背后、与大地相连的2千多个液压促动器，通过钢索伸缩实现反射面精确变位，误差不超过1毫米。

这样充满挑战且没有先例的全新工程，是我国科学家、工程师和技术工人联合造就，蕴含着无数自主创新的智慧闪光。

十几年的预研后，FAST于2007年7月正式立项，成为国家重大科学工程，由中国科学院国家天文台承担建设任务。2011年3月正式开工建设。

国家天文台研究员、FAST总工艺师王启明说：“自开工算起，建设周期只有5年半，工期不能超，但现场施工条件非常局促，很多人都担心完不成。”

FAST怎么搭建？国家天文台提出“索网”方案，像编一张渔网一样来造这口锅。当年曾有多个研究单位参与具体设计，最终被采纳的，是哈尔滨工业大学专家提出的“短程线”分型方案。

在土建工作完成后，首先搭建圈梁。圈梁是大锅的支架，绕大锅一周，被50根6米到50米高低不等的钢柱支在半空，周长1.6公里，绕走一圈要40分钟。

接下来搭建索网。7000根主索的索网外缘连接在圈梁上，2300根下拉索与促动器和地锚连接，靠促动器拉动索网实现抛物面变形。

常用的斜拉桥上的钢索，安装强度是200兆帕、200万次弯曲，但FAST的钢索设计要求是安装强度500兆帕、200万弯曲次数。工程研究人员因此经历了无数失败。试验到350兆帕的时候，仅弯曲6万次就失败了。做一次200万次的弯曲试验，就需要10天。承建单位柳州欧维姆机械最终研发出符合要求的新钢索时，申请了12项专利。新钢索如果用回到斜拉桥上，将大大提高桥梁的质量和寿命。

索网织好后，再铺设反射面面板。

武船集团承担了FAST的4450块反射面单元的吊装任务。反射面单元是边长10至12米的三角形铝合金网架，每块重四五百公斤，要在总面积25万平方米、纵深仅50米的空间范围内——准确安放，间距65毫米，吊装时不能变形，每天要安装20块以上。

武船重装公司FAST项目总工程师刘君介绍，此前所有常规吊装设备和技术都无法奏效，武船通过技术创新，研发了大跨径大幅度空间转移技术、空中二次转接技术、反射面单元全方位姿态调整技术和柔性吊装等一系列新技术，提前—个多月完成了吊装任务。“刚开始每天只能装一块两块，到了今年，每天最多装到了37块。”

“FAST荟萃了国内最牛的施工单位。比如做圈梁的单位，是做过鸟巢、国家大剧院的；做面板网架的单位，是做过水立方的。”王启明说。

瞳孔：轻巧灵活明眸善睐

FAST第三个重大创新，是采用轻型索拖动机构和并联机器人，实现望远镜信号接收机也就是馈源舱的高精度定位。

FAST这只巨眼，直径500米的反射面大锅是它眼球，馈源就是它的视网膜，而馈源舱就相当于瞳孔。要让FAST更好地跟踪待测天体，不仅需要反射面“主动”，也需要馈源舱“灵活”。同时，为监听到宇宙中微弱的射电信号，FAST需把覆盖30个足球场的信号聚集在药片大小的空间里，这又要求馈源舱移动精准。

但馈源舱包括了电磁波接收、波导转换、信号前置处理和电磁屏蔽罩等多种装置，十分笨重，如何能在500米空间跨度上精确移动？

中国科学家们为此作出了变革式的创新：采用光机电一体化的创新设计，使用6根大跨度柔索，牵引馈源舱做高精度三维扫描运动。该设计将馈源支撑结构系统自重降至30吨，而美国Arecibo的馈源系统重量高达1000吨！

轻巧的馈源舱，既降低造价，又提高稳定性，可在百米尺度大工作空间内实现瞬时焦点，实时达到毫米级高精度定位，从而实现对天体的高精度指向跟进观测，各项性能指标远超美国Arecibo。

在FAST馈源支撑系统建设过程中，有许多技术方案是首次公开并使用。例如，大连重工参与研制并建造的柔性馈源索驱动系统开创了国际先例，是目前世界最大的索牵引并联机构；烽火通信参与研发出的性能远优于国标军标要求的动光缆，乃世界首创。

FAST的研制和建设，体现了我国自主创新能力，已经推动了我国在天线制造技术、微波电子技术、并联机器人、大跨度结构、公里范围高精度动态测量等众多高科技领域的发展。

未来，它将带来更多更大的创新成果。

国家天文台副台长郑晓年表示，接下来，FAST还有大量的软件调试工作，将边调试边观测，调试的过程也是观测的过程。调试好后，科学家们就可以用期待已久的FAST做课题出成果了。

在馈源舱安装后，全部面板铺设完成之前，FAST就已经开始接收到了来自宇宙的信号。浪漫的天文台研究员们将其中两段1分钟左右的脉冲星信号，做成小音乐，放在手机里，时时聆听。

科学家们对FAST充满期待，因为它是强大的观天利器。与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比，FAST灵敏度提高约2.5倍；与排在阿波罗登月之前、被评为人类20世纪10大工程之首的美国Arecibo望远镜相比，FAST综合性能提高约10倍。从理论上讲，FAST可接收到137亿光年以外的电磁信号，这个距离接近宇宙边缘。

它将被用于观测脉冲星，脉冲星未来可能成为星际导航，为宇宙飞船指明方向。

它将搜索可能的星际通讯信号，这将有可能让人类收到来自外星人的消息。

它将巡视宇宙中的中性氢，这将帮助科学家研究宇宙大尺度物理学，以探索宇宙起源和演化。

“大锅”告成，“巨眼”始开。FAST的征程，才刚刚开始。