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“FAST”总工艺师:建最牛“天眼” 此生没白活

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领先世界20年可探索地外文明和宇宙起源 精度比美国提高10倍

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记者爬1500级台阶拍摄的“FAST”。

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“FAST”总工艺师王启明。(受访者提供)

7月3日,直径500米的球面射电望远镜“FAST”在贵州架设完成,它是目前世界上最大的单口径射电望远镜,同时也是我国迄今为止最大的天文工程。

如今,位于黔南的这口“大锅”俨然成为全世界关注的热点,它甚至成了改变中国天文史的标志物。

“FAST”是如何建成的?它究竟有多牛?又将为中国的天文科考带来哪些深远影响?昨日,广州日报记者专访了中国科学院国家天文台“FAST”项目总工艺师王启明。王启明表示,这台巨型射电望远镜创造了很多奇迹,体现了我国日臻进步的自主创新能力,未来也将推动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高新技术的发展。

文/广州日报记者肖欢欢(除署名外)

图/广州日报记者张丹(除署名外)

“太累了,我10点半才回到住处。”今年55岁的王启明显得很疲惫,嗓子有些沙哑。“FAST”建成后,他一直在协调后期调试工作,一天要开好几场会。

按计划,这口“大锅”要调试两个月,到9月底才投入使用。王启明从2000年就参与了这个项目,至今已有16年,他把一生中最美好的青春年华都献给了“FAST”。

“当年这个项目启动时,我还是年轻小伙子呢,现在我两鬓都有白头发了”理工科出身的王启明是个性格爽朗的人,但说起FAST,王启明还是感慨万千,他把这个项目比喻成一个慢慢长大的孩子。

为“FAST”选“家”风餐露宿

为什么要建这么一口“大锅”?王启明解释,这就像用“锅盖天线”收看卫星电视一样,锅盖的口径越大,电视画面就也越清晰。对于射电望远镜来说,口径越大,看得越远。全世界的射电天文学家都追求建造更大口径的望远镜,以提高灵敏度。此前,世界上口径最大的射电望远镜是美国阿雷西博射电望远镜,口径300米。

近40年来,涉及天文学的10项诺奖获奖成果中,6项是通过射电天文手段取得的。射电天文学,已经成为孕育重大天文发现的摇篮。

王启明说,1994年4月,中科院国家天文台就开始了选址工作。大口径射电望远镜的选址,地貌要最接近天线锅的形状,这样方便建造,工程量小,不用开山炸石,同时附近5至10公里范围内不能有电磁波信号发射。

为了给这口“大锅”安家,团队成员几乎把贵州的喀斯特地貌区“挖”了个遍,同时有两路人马独立搜寻,初步确定了300多个候选洼坑。然后又通过计算机模拟工程填挖量,从中选出30多个实地考察,最后才选中了不大不小、深度合适、形状很圆、适于施工建设的“大窝凼”,“大窝凼”的喀斯特地质条件可以保障雨水向地下泄流,不在表面淤积而损坏望远镜。

王启明回忆说:“当时在户外工作,风餐露宿,渴了就喝一口溪水,饿了,就吃几口随身带的干粮,冬天馒头硬得像石头,牙都崩掉了一个。有时候,一个星期都不能下山。”

22年建起世界最牛“天眼”

起初,因为资金严重短缺,有人建议说口径能不能减小一点,400米算了。但最终,科研团队还是顶住了压力,坚持不缩小口径。2018-12-18,FAST项目正式立项,王启明记得,那一天,他流下了激动的泪水。

从此,王启明过上了北京、贵州“两点一线”的日子。挖台址,治理边坡,用了9个月;安装圈梁,用了17个月。

2018-12-18,团队开始为FAST制造和安装索网,是FAST工程的一大技术难点;这是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系,6670根主索和2225根下拉索完整地拼出了“天眼”的索网,很快索驱动工程相继完工。索网建成,反射面安装工程随之开始。反射面是FAST望远镜的重要组成部分,共有4450块的反射面板单元。2018-12-18,当最后一块反射面板安装好时,王启明悬了16年的心终于放下了。

“100多人奋战了20多年了,有些都已经不在了,我们的团队,老的有‘40后’,年轻的是‘90后’。”说起这些,王启明有些哽咽,其实项目的每一步进展,都冒着风险,比如牵引“大锅”的索网,材料是含碳元素85%的高碳钢,它具备高弹性、抗拉伸、抗疲劳的特征,材料的一些要素,是国家标准的2.5倍。

“这种材料在国内没人能生产出来。”为了攻克这种钢索技术,王启明和团队一共用了两年时间,先后找了国内顶级的钢索厂和几所高校,才把钢索问题解决。

为火星探测奠定基础

王启明介绍,FAST的两大科学目标是巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星,前者可研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化,后者可研究极端状态下的物质结构与物理规律。

由于灵敏度提高,FAST能看到更远、更暗弱的天体,通过探测星际分子、搜索可能的星际通信讯号,寻找地外文明的概率将提升5至10倍。去年曾引起轰动的引力波,就是科学家利用阿雷西博射电望远镜发现的,并获得了诺贝尔物理学奖。中国500米直径大射电望远镜将为自然科学,尤其是物理学和天文学领域的研究提供一个全新平台。此外,FAST也将为我国火星探测等深空研究奠定重要基础。

据悉,美国阿雷西博望远镜50多年一直无人超越,但如今FAST跟它相比,综合性能提高了约10倍。

FAST灵敏度究竟有多高?王启明打了个比方:“假设你在月球上打电话,FAST可以探测到你的信号。”

王启明告诉广州日报记者,这次FAST所使用的材料和工艺,基本上都是中国产的,充分体现了中国的自主创新能力。“做了这么一件有意义的事件,感觉这辈子也算没白活。从目前看在世界上还是比较牛的。下一步,需要我们的科学家把它投入使用了。”

王启明说,外国科学家参观后也感到很震撼。“他们都很期待我们这个全世界最先进的天文设备能成为人类观测外太空的利器,有新的科研成果出来。”

而中国科学院国家天文台副台长郑晓年也表示,作为世界最大的单口径望远镜,FAST将在未来20~30年保持世界一流设备的地位。

对话

FAST望远镜领先国际20年

广州日报:7月3日,射电望远镜的主体已经安装完毕,为何调试要用两个多月,而不立即投入使用?

王启明:你在施工现场也能看到,这是个很大的工程,变电站和箱式变压器就有7个。现在只是把硬件完成了,因为装备是由很多家单位一起合作研制的,有做测量的、做控制的、有做机电的,安装完成后要先空载测试,然后再进行联合调试。

另外,对这种工艺系统的验收,要求是非常严格的。就跟房屋装修一样,要趁着装修公司还没走,要尽早排查和解决问题。

“天眼”并非“死眼”

广州日报:这个“观天巨眼”建设前后一共花了13年时间,他的施工难度难在哪里?

王启明:望远镜反射面总面积为25万平方米,相当于30个足球场那么大。它具有目前世界上跨度最大、精度最高的索网结构。仅圈梁、索网和支撑馈源舱的6座高塔就用掉1万多吨钢材。尽管反射面板才1毫米厚,也用掉2000多吨铝合金。

此外,望远镜在现场施工上也有很多困难。首先是台址现场环境的约束。现场是一个喀斯特洼地,最高落差有150米,不能用大吊车,吊车过不去。

再次,我们建设的这只“天眼”并非“死眼”,它是可以动的。根据观测的方向,它会拉扯索网来变形天线锅。如同人类转动自己的眼珠,这样遥远的太空对它来说将不存在方向上的死角。美国阿雷西博望远镜,它是固定在地面上不动的。所以,我们的建设难度就要大很多。

广州日报:这个“眼珠”是如何转动的?

王启明:6索并联驱动控制系统是FAST项目核心部件馈源舱的主控制系统,它可以控制馈源舱进行姿态位置调整,从而精确地达到反射面的焦点位置,使馈源舱获取信号能力达到最佳。就像人的睫状体一样,能够调节眼球的焦距使眼球能清晰地看清远近物体。

此外,与索网相连的2000多个小电机控制着整个变形过程,6条400多米的钢索吊起30吨重的馈源舱,移动范围可达200米。在移动过程中,每一部分的位移都要控制在毫米级。射电望远镜建成后,将成为中国天文研究和自然科学研究的利器,不光是现在,未来20年内都将保持世界领先地位。

不惧坏天气但怕电磁干扰

广州日报:这口“大锅”不要弄个盖子防止雷击等恶劣天气吗?

王启明:作为射电望远镜,FAST的基本原理和人们常见的锅式卫星天线相差无几,只不过这口大锅接收的,是非常微弱的宇宙信号。它主要由反射信号的抛物面和接收信号的馈源舱两大部分组成。通过“锅”的反射聚焦,把几平方米到几千平方米的信号聚拢到一点上。如果搞个锅盖,那它的功能岂不是丧失了?

对于雷电等恶劣天气,我们有防雷系统,对于冰雹,我们有防雹炮,把冰雹打碎,打成小块。还有下雪的问题,雪对贵州影响很小,这里一年只有几天,气温在零摄氏度以下。总体上,我们考虑是很周全的。

广州日报:射电望远镜对电磁波干扰有很高要求,是不是以后周围几公里内都不能有电磁信号?

王启明:你说对了,这里对电磁波信号干扰要求很严。贵州省刚刚专门为我们这个设备立了法。要求距离FAST项目5公里以内的基站全关掉。现场不能用手机、数码相机,汽车不能用电子打火,包括过来的中巴,都要烧柴油车才行。

广州日报:这个射电望远镜的设计寿命是多长?

王启明:设计寿命是30年,国外的望远镜大多都超期服役。阿雷西博望远镜也早就超期服役了,到期后,经过一些升级改造,还是可以继续使用的。整个FAST工程造价大约是11亿元。

特写

实地探FAST

“疯狂”的天坑

FAST项目位于贵州省黔南州平塘县克度镇绿水村的大窝凼。随着FAST选址的确定,这座只有30多万人口的小县城,变得热闹异常。

时至今日,越来越多的旅游者涌入这座小县城,目的就是一睹能够听到天外来客声音的“超级大锅”。

在平塘,当地人更多地称呼FAST为“天坑”或者“大射电”,头一种称呼形容了它的形状,而后一种则更有“文化”。无论是哪一种称呼,凡是外地人提到FAST,当地人总会遥指向大山深处,那里距县城有一百多公里。

“天坑”影响力

在距离“天坑”还有十多公里时,两栋黄色的建筑在平地上拔地而起,与周围的低矮民房相比突兀异常。

“一栋是文化园,另一栋是一家五星级酒店。”司机王师傅介绍说,由于“天坑”即将竣工,所以其他的配套设施都在紧锣密鼓地赶工赶点。“天坑”带来的旅游效应将会非常突出。

在尘土飞扬的路边,行人都可以感受到“天坑”强大的影响力:无论是卖饮料的小店,还是餐饮店,所有的标识牌上均是将“天坑”的图片作为底色,颇为显眼。记者了解到,在周边的航龙村、塘边镇也将开发众多的旅游项目。

“天坑”的巨大影响力,让农业人口占90%以上的平塘县,看到了其将会带来的巨大经济效益。彼时,曾经的农业县也将华丽转身为“旅游大县”。

崇山峻岭现“天坑”

从平塘县城到“天坑”所在的克度镇,100多公里全部是省级公路。尽管路面颇为平坦,但由于全部都是环山公路,因此,路边偶尔还是会见到大小不一山上落下的碎石。

而从省道到达克度镇之后,仍要行驶十多公里的真正山路。不但路面崎岖不平,而且碎石也多了起来。

即便如此,在昨日这个非周末时间,仍然有不少私家车找寻着前往“天坑”的道路。

“这条路能到FAST吗?”不少车主在山路上颠簸了几十分钟,忍不住下车询问过往的车辆。当得到了肯定的答复之后,车主又踩着油门冲上了崎岖的山路。

在崎岖山路旁,是一个个颇为类似“天坑”的深谷。在深谷的平地上,可以看到有不少人家仍居住于此。

“在‘天坑’周围五公里范围内,所有的村庄都迁了出去,而且就连通讯基站也不能设置。”一位当地村民介绍说,“天坑”的到来给靠天吃饭的他们带来的新的“机遇”,他们也希望能够依托“天坑”过上更加优越的生活。

行至崇山峻岭间,王师傅也开始专心起来,坑坑洼洼的山路由不得他半点分神。七转八转之后,当看到一座高耸的大山时,王师傅还是忍不住提醒道:“在那座山的后面,就是‘天坑’。”

1500级台阶40层楼

由于要赶工期,在进入“观景台”的道路开始封闭。从封闭的路口到“观景台”的工程区,需要行走将近五公里的路程,然后才能进入到轰鸣声不断的工地上。

由于“天坑”整体仍然没有竣工,到达工地的游客,则扶着临时搭建的脚手架,一步步拾级而上前往工程中的“观景台”。

“两边都有上‘观景台’的台阶,一共有1500级台阶,每级台阶是0.15米。”在工地上做工的一位工人告诉记者,由于他的工作是给台阶加固,每天需要这样沿着台阶爬上爬下四次。

记者粗略估算了一下,以每边台阶750级计算,从工地到达“观景台”的高度高达112.5米,而以每层楼的高度为2.8米来计算,从工地平台到“观景台”就有40层楼的高度。

尽管如此,仍然有不少游人来到了“观景台”,终于看到了位于山谷之中的“天坑”FAST。记者在“观景台”俯瞰发现,这口FAST的底部,有许多白色的小柱子整齐地排布着,中间位置则是完全类似于民用的“天线锅”,不同的是,在“锅”的四周等距排列着六个耸立的天线塔。

游人在一睹“超级大锅”的真容之后,便开始陆陆续续地往下走。

“天坑”给人们带来极大的旅游热情,人们开始幻想,它能否听到“天外来客”的声音?

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