从艰苦重重到创造事业 历数FAST五年半扶植之路

从艰苦重重到创造事业 历数FAST五年半扶植之路
2019年09月20日 10:21 迷信大年夜家

  出品| 新浪科技《迷信大年夜家》

  撰文| 姜鹏 中科院国度地理台研究员、FAST总工程师

  千百年来,人类都是经过过程可见光去不雅测宇宙和天体,经过过程光学千里镜,人们发清楚明了银河系,懂得到月球外面其实不但滑等等。

  哈勃千里镜的出现令人类对宇宙的不雅测加倍深刻,之前认为是荒凉的处所发清楚明了很多星系。这时候,人类才反响过去,本来宇宙是由不合的星系构成的。

  经过过程对宇宙的不雅测,人类懂得到宇宙是在赓续收缩的,这激起暗能量存在的假定,这一系列光辉的成就都是由于光学千里镜的存在。

  用光学千里镜不雅测宇宙,有几个比较巧的景象。一是人类的传感器“眼睛”恰好在可见光波段具有感知才能;二是太阳这类恒量天体在可见光波段收回的能量比较强;三是厚厚的大年夜气层在这个波段是透明的。

  所以我们仿佛是理所应当的应当用光学千里镜来不雅测,但其实厚厚的大年夜气层还隐蔽着别的的波段:无线电窗口,但人类不具有这个波段的感知才能,这一波段重要靠射电千里镜来不雅测。

  有时的机会 人类创造了射电千里镜

  既然人类不具有这个波段的感知才能,那么人类是若何发明这个波段的呢?比较成心思,Karl Jansky既不是地理学家也不是地理爱好者,却在偶热的机会发清楚明了这一波段。

  当时有线德律风方才开端推行,常常会遭到旌旗灯号搅扰,因而贝尔实验室就拜托他去查明缘由。

  Karl Jansky 建造了一台天线,经过过程长时间的不雅测,他发明搅扰来源是雷暴气象,同时他又发清楚明了一个异常稳定但又比较弱的搅扰旌旗灯号,24小时一个周期,每天达到的时间都异常固定:比前一天提早4分钟。

  经过一年的不雅测,他猜想这个旌旗灯号源自银河系中间,他把这些研究成果整顿发表在了美国的一本无线电工程学报下面,这本来是一个范畴的开篇之作,却就如许发表了,从这里也能看出,Karl Jansky是一个对地理没若干兴趣的人。

  后来,另外一名雷达工程师雷柏,在大年夜学的时辰看到了Karl Jansky的研究成果,认为异常成心思,便自掏腰包在家里后花圃设计出了第一台真正意义上的射电千里镜,用如今的眼光去看,这台射电千里镜可谓完美,明天一切的射电千里镜都没离开这个框架。

  经过过程长时间的不雅测,雷柏印证了Karl Jansky的研究结论,这个搅扰旌旗灯号确切来自于银河系中间,不过大年夜家并没有忘记Karl Jansky的供献,照样尊他为射电地理学的鼻祖。

  综合口径技巧让射电千里镜 “如虎添翼”

  射电地理学刚出现的时辰,并没有取得大年夜家的存眷,其核心的缘由是,它在分辨率上生成有缺点。

  衡量一台千里镜的短长重要有两个目标,一个是灵敏度,一个是分辨率。直到M.Ryle创造了综合口径的技巧,其基来源基本理是:用相隔两地的两架射电千里镜接收同一天体的无线电波,两束波停止干涉,其等效分辨率最高可以同等于一架口径相当于两地之间间隔的单口径射电千里镜,由于此项创造,他取得1974年诺贝尔物理学奖。

  自此,射电千里镜的分辨才能取得大年夜大年夜进步,分辨率乃至比光学千里镜还要高,本年首张黑洞照片问世,眼前所应用的技巧就是综合口径技巧。

  自此,射电地理就取得蓬勃生长。1957年,英国人曾经把千里镜口径做到76米,1961年,人类在南半球建造了第一台射电千里镜,迄今发明的近三千颗脉冲星中,一半都是这台千里镜发明的。2000年,美国建造了口径为100米的千里镜。

  从雷柏创建的第一台直到如今,射电千里镜的生长汗青其实就是人类追随灵敏度的汗青。口径越大年夜,不雅测的灵敏度就越高。只要如许,人类才能不雅测到更悠远的宇宙星系,有助于迷信家分析宇宙的演变汗青。

  但自从1972年德国人把口径做到100米今后,射电千里镜的口径便停止不前,这也注解,在材料的制造工艺没有取得腾跃式生长前,很难冲破百米口径。

  难道百米口径是个极限吗?我们真的没法冲破这个极限吗?1962年,美国的大年夜耳朵千里镜停止了测验测验,但并未成功。

  怎样才能建造更大年夜的射电千里镜

  在机缘偶合下,迷信家发清楚明了扶植500米口径球面射电千里镜(以下简称为FAST)的实际基本:抛物面与球面的机缘偶合。抛物面的构造特点能把平行光会聚到一个点上,所以传统的射电千里镜都做成抛物面,那么球面和抛物面大年夜概有多大年夜的差别呢?之先人们并没有思虑过这个成绩,上个世纪90年代,中国的迷信家就计算了下,一个300米的抛面,只需选择合适的焦比,它的球面和抛物面的偏离间隔只要0.47米,这0.47米就是FAST的基石,假设这个间隔是4.7米或47米,就不会有FAST了。

  有了这个发明以后,一个概念就应运而生:我们先建一个基准球面,半径是300米,口径是500米,然后在外面放上渺小的驱动装配,只须要悄悄的改变反射面的外形(0.47米),便可以构成一个抛面,便可以把平行光会聚到一个点上了。

  然后将接收机以精确的姿势放到核心的地位下去接收旌旗灯号便可以了,这就是FAST的基来源基本理,并没有想象中的复杂,但要想把这个千里镜成为实际的话,至少有三件任务要做。

  扶植FAST,须要做好三件事

  第一:要找个合适的“眼窝”:台址。假设是平地挖出这么大年夜个坑的话,能够就须要几十亿人平易近币,远比建一台千里镜花费十几亿人平易近币还要多,所以一个天然的洼地是必弗成少的;

  要有一个优良的电磁波情况,人要异常少,人并不是是搅扰源,然则人们平常生活所用的电器手机等,是电磁波搅扰的重要来源;别的,排水要好,不克不及有积水,一旦积水的话,千里镜的电子设备应用寿命会遭到影响;最后,基本要足够稳,不克不及有沉降,这是扶植大年夜型周详设备异常须要的条件。

  第二:主动反射面筹划的弃取。经过反复研究,大年夜家建议能不克不及采取柔性索网的办法来停止扶植,如许经过过程改变外形就可以完成球面与抛物面的转换。然则索网是挂在四周的山体上,照样伶仃建一个环梁构造?是采取三角形划分网格照样采取四边形来划分?控制锁是采取一根照样三根?这些都是我们须要思虑的成绩。

  如今大年夜家去看FAST,能够会认为FAST就应当这么扶植,然则在扶植之初,这外面经过很多很多的变更,都是经过大年夜量设计、演算才得出来的,有很多的奇思妙想不为人知。

  第三:若何完成馈源的高精度定位。若何对接收机停止高精度的定位,这是扶植早期必须要处理的成绩。迷信家用6根钢索连接着馈源舱,经过过程钢索来控制馈源舱的地位,要完成甚么样的精度呢?一个30吨的馈源舱,经过过程6根钢索,在140米的空中,在206米的标准范围内,控制在10毫米以内。

  我是做工程出身的,一开端我认为这根本弗成能完成,但迷信家太聪慧了,经过过程在舱内参加一个AB转台,Stewart 平台就异常奇妙地完成了馈源舱的精准控制。

  到这时候,FAST千里镜的道理模型已逐步清楚了,同时为了验证筹划的可行性,我们做了大年夜量的实验。

  艰苦重重的扶植阶段

  在500米的跨度上,很多平常平凡留意不到的成绩都邑变成大年夜成绩。比如,温度变更1度,就会带来6毫米的变形,假设扶植时把圈梁和柱子设计成一体的话,温度变更时,就会带来很大年夜的变形。

  是以要设置一个自适应机构,来处理热胀冷缩带来的成绩。经过一年多的实验验证,我们设计了滑移支座筹划,处理了这个成绩。

  在处理一切成绩后,2011年3月份,FAST开工扶植了。

  固然台址其实不算大年夜,但也触及到各个方面的工程,如门路工程、地道工程等。

  索疲惫成绩:差点让FAST毁于一旦

  这么大年夜的工程,肯定有我们一开端没有想到的成绩,个中的一个比较致命的就是索疲惫的成绩。索疲惫的成绩是甚么呢?在构造里,索网构造是一个变形的载体,它须要在球面和抛面面间停止变形,它对疲惫的性能请求很高。

  当时我们停止了疲惫评价,猜想将来30年FAST的不雅测轨迹,可以取得每根索在将来30年的疲惫次数,进而经过过程各类算法,取得的评价成果为:500MPa应力幅、200万次轮回加载。

  这是从未完成过的疲惫性能!

  一开端我们也不知道如许的评价条件是甚么样的标准,我们从市情上有名厂家买来十根钢索,一停止疲惫实验却傻眼了,均掉败了。

  这件事也很快地在地理圈传开了,很多人都说FAST要完了,由于这是材料工艺出了成绩,其实不是设计出了成绩。假设设计有成绩,我们可以重新设计,但材料工艺出成绩却很难处理。

  为懂得决这个成绩,我们停止了最大年夜范围的疲惫实验:超高疲惫性能钢索的研制,经过两年艰苦的研发任务,终究霸占了FAST的核心技巧,我们全方位地改变了钢索的制造工艺,包含扭制工艺、涂层工艺等,终究研制出合适FAST的钢索,这是FAST能往下持续推动的一个异常重要的关键点,假设这个成绩没有处理,大年夜家也就不会看到明天的FAST。

  超高精度的制造请求

  FAST的每根钢索制造请求误差在1毫米,近万根钢索编织的索网,假设每根误差几毫米的话,一切的误差加起来就会很大年夜。

  若何能做到如许的精度控制呢?这也是我一向思虑的成绩,传统的钢索误差为15毫米阁下,而FAST请求在1毫米,为了达到这个精度,很多成绩都须要我们推敲。

  比如说温度的影响,我们在车间里建一个恒温室,材料都要提早24小时运进恒温室,一切的钢索都在恒温室停止加工;一切的合营都采取无间隙的过盈合营,甚么叫过盈合营?就是轴比孔还要大年夜一些,采取液压千斤顶挤出来,来清除间隙;一切的加工都采取带载调理,比如说钢索在受力100吨时为11米,那么我们在加工的时辰就要受力100吨,把长度控制在11米,同时误差不超1毫米。

  FAST毕竟有多大年夜?

  就如许,凝集了几千名一线工人汗水和迷信家的聪明,用时五年半的FAST工程终究扶植成功了。

  那么FAST毕竟有多大年夜呢?这是我常常被问的一个成绩。一群充斥猎奇心的同事曾算了一下,假设把FAST想象成一口锅,装满水,全球75亿人,每人能分四瓶矿泉水。

  FAST建成以后仅仅是开端:极具挑衅的调试任务

  由于强交叉学科的特点:地理、力学、机械、测绘、计算机、电子学、构造工程等,国际上传统大年夜型千里镜的调试周期都很多于四年,关于FAST来讲,调试过程就更复杂了。

  若何处理反射面的安然成绩呢?重30吨的馈源舱在140米空中上,若何保证安然成绩?我们建造了一个计算机模型,在计算机上及时模仿FAST,FAST若何运作,在计算机上就若何模仿,应用及时力学仿真技巧,就大年夜幅度地进步了体系的容错才能。

  毫无争议 FAST成为世界上最灵敏的射电千里镜

  有了各类丈量手段的支撑、控制技巧的支撑,毫无疑问,FAST成为世界上最灵敏的射电千里镜。它的灵敏度比设计目标赶过30%,达到2600平方米每K。尽人皆知,灵敏度是和接收面积成正比,FAST的灵敏度是世界上第二大年夜千里镜灵敏度的3倍,而接收面积却只要它的1.9倍。

  全部目标一次性测试经过过程

  包含指向精度、灵敏度、太空覆盖、分辨率等在内的16项目标一次性测试经过过程,个中指向精度和灵敏度这两项关键参数优于验收标准。

  有了阶段性的迷信成果

  FAST到如今一共发清楚明了134颗脉冲星优良候选体,认证了93颗脉冲星,因在灵敏度上的优势,在单脉冲不雅测方面,FAST翻开了一扇新的大年夜门,首期迷信成果已在《Science China》上构成了一个专刊。

  今朝FAST曾经对外开放了,2019年4月份,FAST经过过程工业验收,标记住FAST应用目标达到了国度的标准。

  亲身参与这个工程,并一步步见证它走向成功,我很骄傲是这一巨大年夜工程的参与者和见证者,也等待它在将来创造更多的事业。

  (注:图片由姜鹏供给)

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