中国“天眼”

郭红峰

“中国天眼”是一架500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，缩写FAST），是目前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜。“天眼”是她的昵称，因为她能够从地球上一直“看”到宇宙深处，甚至探测到宇宙形成初期的微弱信息。

FAST是一个大胆的创意。首先，中国此前并没有建造大口径射电望远镜的经验;其次，500米口径球面射电望远镜比当时世界上最大的单口径射电望远镜（阿雷西博）的口径还要大200米。

这可不是简单的增大口径，因为口径的增大意味着重量急剧增加，为此产生的加工、支撑、运转、控制等方面的难度都直线上升。而采用传统方法建造肯定是不行的，必须在设计上采用创新思路，在技术上采用创新应用。

FAST第一大创新——选址

任何一个天文台的建立，选址都是第一要务。光学望远镜接收的是可见光波段的信号（400～700纳米段的波长），要求镜面面型误差是纳米级的精度，普通的风、沙等都会干扰接收信息。所以，一般光学望远镜的光学系统都封装在镜筒里，还要安装在有圆顶和天窗的建筑里。射电望远镜接收的是无线电波段的信号（波长从厘米到米波段的信号），对接收镜面误差的要求没有光学望远镜那么高，所以射电望远镜的接收天线一般都安装在露天。

一个500米口径的射电望远镜，如果安装在平地，需要建立非常庞大的支撑机构，这将是一项耗工、耗时、耗资巨大的工程。我国贵州地区的喀斯特地形既是天然洼地，又是天然漏斗，有良好的天然排水系统。另外，当地人口稀疏，无线电污染少，便于建立无线电隔离区。

为了给FAST选出一个最好的台址，FAST项目组除了人工实地勘察，还动用了当时最先进的遥感卫星系统、地理信息系统、全球定位系统。通过进行计算机图像分析和多学科的数据测量比对，项目组最后选定了贵州平塘大窝凼宝地。

FAST第二大創新——反射面变形

FAST500米口径球面镜是无法加工成一块整镜面的。FAST的主反射面设计为由4450个小镜面单元（简称单元块）拼接组成，每一个单元块都是500米球面镜形状的一小部分，拼接后就组成了500米口径的大型球面望远镜的主反射面（大锅）。

反射面的单元块也不是简单的一小块面板，而是由框架、檩条和小面板等拼装组成的构件。由于反射面板单元块在整体球面网格上所处的位置不同，其几何尺寸、倾斜角度、支承点位置、荷载大小和方向都不相同。所以，在每个单元块构件的连接处，都装有计算机控制的促动器，可施加不同的力调节各个小单元块在整体布局上的几何构形，达到整体面型一致的精度要求。

正是有了这些可控制的单元块调节机构，使得FAST500米口径的球冠反射面不像阿雷西博那样躺着不动，而是在其300米范围内可控地变换成40°天顶距范围内全方向可转动的抛物面镜。由此，这台庞然大物就可以做阿雷西博式观测（使用500米口径，但不转动，比曾经的世界最大的单口径射电望远镜300米级大了200米），又可以做全转向式望远镜观测（使用300口径转动，比当今世界最大全转向射电望远镜100米级大了200米）。

FAST第三大创新——馈源支撑与高精度定位

美国阿雷西博305米射电望远镜的工作方式是主反射面不动，而控制接收器（馈源）移动。它用3座铁塔撑起一套刚性背架，把馈源舱悬吊到反射面的焦点处，系统重达1000多吨。按照阿雷西博结构计算，口径若扩大到500米，馈源舱悬吊背架系统将重达近万吨，不仅难以实现，而且不易控制，造价也将是天文数字。

FAST项目组研制了一套创新方法：三级控制。第一级，用6个铁塔拉住6根轻型柔索联合施力，拖动馈源舱初步就位;第二级和第三级由馈源舱内定位机构和并联机器人共同控制，实现了馈源舱（载有19套接收机，焦点不尽相同）相对不同观测目标的高精度定位。

FAST轻型柔索驱动和高精度定位系统，是目前世界上在建的最大柔性牵引并联机构。其经验成果已经在我国港珠澳大桥等新型大跨度桥梁建设中得以推广应用。

问题1：你看过真实的FAST望远镜吗？

问题2：

你能举例说明FAST还有哪些先进技术被采用吗？

FAST成果及国际地位

FAST作为当今国际上最大的单口径射电望远镜，其一流的综合性能和技术指标，无疑为我国和世界科学研究领域提供了重要天文观测利器，也为国际射电天文界带来大发展的机遇。

FASTI程在技术研发领域同样成果卓著，对推动我国的天线制造技术、微波电子技术、并联机器人技术、大尺度结构工程、大范围高精度动态测量等相关科技领域的科技进步和创新发展都是大有裨益的。

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