草榴网 FAST，大国重器之“中国天眼”
发布日期：2024-10-08 04:36 点击次数：122
姚蕊：国度天文台后生接头员，中科院青促会会员，FAST 运行和发展中心理械组组长。主要接头场合为天文期间与要道、索并联机器东说念主，2018 年入选《麻省理工科技批驳》35 名“35 岁以下科技鼎新后生”中国区榜单。
以下内容来自墨子沙龙“中国的大科学装配”活动
前边两位敦朴给咱们带来好多科学之好意思（见：核电站内捕捉幽魂粒子；在地下 2400 米看天地），受到他们的启发，你可能想成为一个科学家。我自然来自国度天文台，但我是作念工程出身的，是以我今天会给全球更多的先容在 FAST 工程中的一些故事，我但愿现场的小一又友不错受此启发，能成为一个工程师。
我是国度天文台的姚蕊，我今天带来的内容是“中国天眼”。骨子在很长的一段时辰咱们王人称它为 FAST，在 2016 年的时候，被誉为“中国天眼”。有东说念主说 FAST 是不是代表但愿千里镜建得更快，其实不是，它便是圣洁略单的“500 米口径射电千里镜”的英文缩写，这便是作念工程的东说念主最朴实的东西。
资格了 22 年，千里镜在 2016 年开拓完成，在本年的 3 月 31 日适宜向全天下敞开了。FAST 具有至极优异的智谋度。智谋度指的是，到底能探伤到多隐微的信号。那么若何赢得暗弱的信号？关于射电千里镜来讲，荒谬约略狡滑，便是要大面积。面积越大，同期吸收信号的能量就越多，那么它的智谋度也越高。FAST 建成之后，它的智谋度是那时的 Arecibo 的 2.5 倍，占据了天下射电千里镜的制高点。
我作念 FAST 照旧有 15 年了，我刚刚斗争 FAST 的时候，还在学校作念学生，作念敷陈的时候，连续敦朴会问你：作念的这个东西到底是什么？什么是射电千里镜？好多时候咱们提到千里镜更多的是停留在光学千里镜（责任在可见光波段）的层面，通过这种光学千里镜去看星空、看星河。到底什么是射电千里镜，国度天文台的敦朴告诉咱们，就把它遐想成一个天线大锅，就像咱们的天线一样，去吸收无线波段的信号，主如果连合在毫米、厘米、分米、米的界限。FAST 主如果责任在分米到米的界限。
射电千里镜的历史，远远莫得光学千里镜那么久远。上世纪 30 年代，卡尔・央斯基一次不测的发现符号着射电天文的出生。它出生时辰自然很短，不及百年，然而它却在上世纪的 60 年代有了四大发现，包括脉冲星、星际分子、微波配景辐射和类星体，还赢得了相应的诺贝尔奖。是以不错看到，在上世纪 60 年代 70 年代，遍及的射电千里镜在开拓。这亦然 FAST 为什么要运转开拓的一个原能源。
在 1994 年，国际无线电大会无情了一公里简单阵的遐想。一简单公里阵便是说通过好多个射电千里镜来沿途构成一个射电千里镜阵，然其后达到一个高的分歧率，同期也但愿能达到尽可能高的智谋度。然而在上世纪 90 年代，中国要进入国际技俩的话，会碰到荒谬多的阻力，也就因为这种阻力的情况，南仁东先生最早无情了咱们中国要不要我方建一个射电千里镜，这便是起原的一个原能源。要建立我方的射电千里镜，不再需要去那么费事地苦求国际上的射电天文的不雅测时辰，何况能赢得的时辰也荒谬短。
开拓什么样的射电千里镜，在起原的时候有一个筹议。你会发现通过几十年的增长，它的口径最大也不外百米足下，这是因为从它的结构上来讲的话，更大的口径会对它底下的能源学，还有它结构的安全性、结构精度等等有很大的影响。是以很猛进度上讲，关于这种千里镜，构型百米似乎便是极限了。
射电千里镜但愿达到一个高智谋度的话，必须要彭胀它的面积，若何办？好多时候，东说念主们会把见识投向好意思国的 Arecibo，这个射电千里镜是在上世纪 60 年代建立的，通过了两次校正之后，它变成了当今的时势。也很灾难，在旧年的时候，它照旧透顶告别了咱们。然而这个如实是紧闭百米极限的一个新的成见。
在最早的时候 FAST 便是参照 Arecibo 来进行的设计。其实，好多时候看到当今的 FAST 的时势，王人会跟 Arecibo 有关在沿途。望望底下这张图，是在上世纪 95、96 年的时候草榴网，FAST 进行一些立项苦求时候的手绘画。从这里看到它险些就像一个 Arecibo 的翻版，只不外把模范变成了 500 米口径，仍然筹议是一个球面，上头如故一个线馈。而那时的成见有一个不同的地方，便是国内的科学家荒谬斗胆地想不再用几个固定的钢丝绳，而是用一个活动的钢丝绳去牵引线馈往还的素养 —— 在一个比拟大的天区内部进行素养，不再建像他们那样一个那么大的三角形的中间的钢性框架。因为咱们发现，如果 500 米口径的千里镜建成那时势的框架，中间框架要上万吨，根柢莫得办法开拓。
当筹议到照旧不错把上头的部分活动了，那么下一步能不可把底下的反射面也活动一下，便是不再用一个球面的反射面，用抛物面，这不错最大限制地将抛物面中间的信号积累到焦点位置。那么如果一个 500 米口径的千里镜仅仅一个抛物面的话，就代表我只可吸收天区上头一个角度下来的信号，那若何行。是以又换了一个成见。在 300 米的模范界限之内，当采选了妥贴的焦比，从抛物面到球面的一个变形量是不到半米的。咱们能不可去建一个不错及时活动的抛物面，自然是 500 米口径，但当今的瞬时的有用的吸收面积是 300 米，就在这 300 米的界限之内把它从球面变成抛物面，然后最猛进度地把这 300 米界限之内的能量全部吸收进来，是不是就不错来终了最新的一个成见。有了那时的一个设计图，底下的反射面不错及时的进行变形，当它变形不错遐想 500 米口径的球面内部，不错变造成无数个 300 米口径的抛物面，那么这无数个 300 米的抛物面，它的焦点就会变成一个焦面，焦面会位于通盘反射面上方 140 米到 170 米，启齿口径在 206 米的一个球冠面。
钢丝绳牵引变成一个很好用的方式，不错牵引中间的馈源舱在 200 米的界限之内来进行素养，然后能到达无数个焦点的位置。然而这么的精度需要多高？不雅测的频段是在 70M 到 3G 赫兹，也便是常说的厘米波到米波的一个界限。这么的话关于它的收敛精度的条件就条件反射面 300 米的面型精度要收敛在四毫米以内，馈源舱中间的馈源的向心点的精度是需要收敛在毫米量级。而当今用的钢丝绳就足足有 46 毫米的直径，是以也便是说，我当今收敛的精度比钢丝绳的直径还要小。
成见是有了，底下便是若何开拓它。在 2006 年的时候适宜立项了，从 1994 年到 2006 年，资格了 12 年才把技俩算是立项，不错运转开拓了。咱们的开拓单元是国度天文台。科学宗旨主如果脉冲星、中性氢，还包括空间翱游器的测控等等场合的一些利用。
然而当骨子运转开拓的时候照旧到了 2011 年，即使在运转开拓的时候，如故碰到了好多的问题。起原是采选地点，从 1994 年无情这种成见运转，南敦朴就运转了寻找能够开拓 500 米口径射电千里镜的地方，那时他找到了遥感所的聂乐平敦朴。聂敦朴是贵州东说念主，是以他知说念在云贵山区有好多的喀斯有利貌。自然的喀斯有利貌，水会浸透到底下造成暗河暗潮将水流走。是以起原阿谁地方不会积水，还有，它会像一个个坑一样，千里镜开拓的地约略是一个自然的大坑。
还需要一个很好的射电环境，那儿的通盘的电磁波的影响要对射电千里镜的影响比拟小，本底噪声越低越好，这么相对来说就能探伤更暗弱的信号。咱们不雅测的频段刚好是包括手机信号的频段、飞机的频段，各式万般的频段，荒谬无语。就要找一个相对来说无东说念主区的地方。FAST 在的这个地方，那时相近吊问常荒僻的，只须 12 户东说念主，离外面的最小的一个镇，建完路之后还得有十几公里，最早的时候连路王人莫得，贵州政府其后又建了好多的路，作念了好多的基建，才能够运转开拓射电千里镜。
基于这些情况，赢得了一个自然的大坑，减少了开拓资本同期它有很好的射电环境，周围莫得手机基站，五公里王人是一个射电禁区。同期它还有很好的一个地下的环境，这种地质环境能够让一些积水不错自动地渗下去，毕竟云贵那儿的雨水也荒谬的多。十几年咱们找到了最完竣的一个坑。
在开拓经由中又发现了好多问题。有一个问题是不错将球面变成一个抛物面，然而实践太骨感了，若何让它变？前期作念了荒谬多的实验，筹议用若何样的一个面板，三角形的、四边形的，来构成这么的一个球面。还有中间要用什么样的方式拉，是用一个钢性的联接如故柔性的联接等等不同的方式，包括从素养、能源学，还有收敛、耗能等等方面，咱们逼近起来，终末采选了一个有蓄意，柔性的有蓄意。便是当今看到的 FAST 有蓄意。开拓了一个直径 500 米的圈梁，底下有 50 个柱子。在这圈梁上头搭一个索网，等于是用一个大大的圈梁兜住了一个网兜，不错遐想一个柔性的网兜变成一个球面。底下在每一个球面的网兜的节点处，王人有一个下拉索往下拉，下拉索底下还会带领一个促动器。是以说，要用一个网兜的时势把它编织成中间王人是三角形的时势，而每个三角形的各个节点的地方还会有好多的下拉索把它撑开。当通盘撑开，受力收敛之后，就会变成一个球面，同期受力变化之后就会变成一个抛物面。
这个成见提及来的话，就像这时势一个动图，看起来也很约略，然而在设计中又发现了，这时势的一个索网内部用到了 6000 多根钢索，每一根钢索大要 11 米的长度，需要在 500 兆帕的应力幅轮回次数 200 万次才能够骄横使用条件。然而在零几年的时候，这种模范是国际最高模范的 2.5 倍，莫得任何一家厂家能提供这么的钢索。在阿谁时候如实吊问常犯愁的一件事情。若何办？我认为至极委果的一个事情，好多大型工程在开拓经由中，相似见证着国度的制造智力的晋升。为了这个钢索，国内的厂家随着咱们沿途作念研发，实验了无数次的钢索，作念了好多的实验，终末专门为 FAST 花了两年的时辰研制了这么的钢索。
这么才有了当今看到的反射面。在这么的一个反射面内部，用到了一个直径 500 米的圈梁，内部用到了 6670 根主索，节点上有 2225 根下拉索，带领着 2225 根促动器。仍然辗转的地方是，建成液压站然后散播来进行液压，如故要单独的一根一根液压驱动器。筹议到不可能因为一根促动器坏了之后咱们就不责任，是以每一根促动器王人会有一个油缸，这时势如果有任何的问题，只影响一个节点。后头还会去找，到底促动器的某一根坏了之后，会不会影响全体的一个变形，变形精度能不可骄横条件。
这是促动器，现场看到的促动器的相片，设计荒谬的好，开拓更好意思。这是促动器的一个图，你看底下的一个个基墩这么排夙昔，每一个会有个编号。在郊野的开拓中，从咱们的设计单元、制造单元、开拓单元，包括咱们的测量单元沿途来协作，把这些咱们认为很好意思好的一个设计变成了一个实践。
还有一个在 FAST 中利用的很有料想的，连续提到的并联机器东说念主。先望望这一个视频。用六根绳提取牵引一个馈源，咱们是用六根绳子通过受力的一个设计，让它牵引到 140 米的高空中来进行素养，不错大界限的 200 米界限之间素养。同期舱内部还会有一个并联机器东说念主，来及时进行素养，有点像一个机头，若何动它底下王人是能够保证它的精度的。而这两个配合在沿途的精度，就不错在 200 米的界限之内达到十毫米小球的收敛精度了。在 FAST 先容中，连续王人会说到并联机器东说念主。
底下说说咱们的吸收机。FAST 建得再漂亮，看起来再宏伟，你最终是为了吸收信号。而射电信号若何吸收，就需要有吸收机，刚刚提到的并联机器东说念主底下就放着好多吸收机。这亦然一个很有料想的点，刚刚运转设计的时候会用九套吸收机，频段从 70 兆到 3G 赫兹，然而在十几年的经由中会有好多的变化。其后咱们跟外洋沿途协作，作念了一个低频宽带吸收机，隐敝了咱们底本三套吸收机。进行了好多的一些设计的重组，因为通盘的尺寸还有条件等等王人不一样，资格了好多折腾，折腾完之后咱们发现真好。FAST 最早的一批科学后果王人来于这个低频吸收机。还有一台吸收机是在 L 频段，手机底本的频段，还有当今的航空也王人在这个频段，1G 到 2G 的频段，是 FAST 当今发现最多脉冲星的频段。
还有一个是测量，在郊野的测量其实跟室内的不太一样。最早的时候认为毫米级的测量能有多难，歪邪一个全站仪之类的王人是亚毫米级或者更高精度的测量精度了。然而到室外就完全不一样了，室外的话会有大气的影响，各方面影响会更多，然后会发现太难了。然后作念了各式和会 GPS，然后还有惯导，包括全站仪，各式测量各式和会来进行作念。尽然作念到了十足精度一毫米，这亦然天下上最高的一个测量精度。因为有了这么的测量精度来保证，当今 FAST 的定位精度达到了十毫米的量级，而反射面板经过了这种及时标定的话，亦然精度达到了四毫米的一个面型精度，这保证了 FAST 通盘的精度水平。
在 FAST 中，会有好多的很极新的东西，在开拓经由中会见证好多名胜的产生，而这些名胜也很有料想的是，还利用在了好多其他的地方，见证了这些名胜带给中国的制造业，还有通盘设计智力的晋升，也见证了这些晋升带来的后头的一些影响。比如说，我刚刚提到的 6000 多根钢索，它是为了 FAST 而生，其后它用在了港珠澳大桥的开拓当中。
FAST 无情是在上世纪 90 年代，照旧 20 多年前了，那时候成见确切太斗胆了。在这经由中，从设计经由，到开拓经由，其实好多的期间表面还好多空缺，工业基础远远不够重大，其实便是靠着一股认为若何样王人能建成、若何样王人能想办法那种猛劲来作念的。自然这内部除了我方团队 100 多号东说念主除外，其实也要荒谬感谢国内的好多高校和接头所，以及好多的工业单元来沿途去迈过了这些坎儿，沿途终显着 FAST。是以，FAST 的终了其实是有天时地利，更有东说念主和。
五月桃色网从 2016 年建成，到 2017 年运转调试，2019 年 4 月份的时候通过了工艺验收，通盘筹划王人骄横了起原的设计筹划。听起来用了 15 个月完成了调试好像很长，但其实国际旧例一般在四年足下，等于缩减了那么多的时辰而且还一次性的达到了设计模范，是以在设计的验收、包括最终的国度验收中，王人给以了荒谬高的评价。
荒谬万幸的是，当今照旧得益了 340 余颗的脉冲星，而且还发表了一些高水平的论文，更多的运转发表在国内的期刊上头，咱们本人的目的便是为了国内的天体裁家能够有一个我方的不雅测时长。
FAST 也赢得荒谬多的荣誉，是以行为开拓者来讲的话，咱们会认为很有料想。起原像是被忽悠进了这个大坑以后，经过了天马行空的遐想，到最终被誉为“国之重器”。在设计之初的时候，咱们参与技俩之初的时候，仅仅会认为臣服于它的设计来到这个团队。中间好屡次也会晦暗，觉赢得底能不可建成这么一个千里镜，到终末建成，然后到它的通盘的设计筹划的达成的时候，认为好像质疑声少了一些。因为全球的见识是在这几年才斗争到 FAST，是以莫得听过那么多的质疑声，然而咱们是在质疑声中长大的，就像总工姜鹏说的，咱们作念工程自然认真的是奉献，然而作念好工程是尊容。出后果了行为开拓团队来讲，好像是照旧算是完成任务了，然而其实咱们的任务还愈加的冗忙和愈加的繁琐。
在国度验收完之后，在旧年的一月份成立了 FAST 运行和发展中心，目的便是更好地运行好这么一个千里镜。因为咱们看到的是一个“国之重器”的建成，然而它之后若何运行其实会愈加难。咱们有完善的处事链条，要处事科学家、天体裁家，有我方的网站，还建立了专门的数据中心，这个也荒谬感谢院里大科学装配给以的援手，让咱们能够在这几年关于数据中心有个很好的晋升，因为不雅测时长比咱们预期的要多得多。旧年在疫情期间，咱们有两个月的一个大的整修期，在撤除这两月之后，险些每一天的不雅测王人在 20 小时以上，是以会有荒谬遍及的数据。亦然因为这么的话，当今运转渐渐造成我方完善的一个数据中心。
在翌日，还颖慧些什么？别东说念主说你们作念工程的应该差未几了，因为有了这么的工程教会，还有这时势的一个设计的经由，还认为 FAST 还能作念些什么，还能再作念些什么？总工姜鹏提到说，咱们用 FAST 能不可试试雷达天体裁。这亦然一个新兴的科学，它是说有个主动雷达行止天体辐照信号，用 FAST—— 高智谋度的这么一个千里镜来吸收这些信号，从而来进行天体结构的一个分析，还有包括一些天体测距方面的接头。同期我的共事们还正在作念先进的吸收机系统。
在本年的年头，荒谬侥幸地赢得了国度教唆东说念主的亲切的心理，对翌日的发展给以了好多的生机。其实咱们便是带着这么的生机，还带着小小的情感，起原的初心，还在链接。共事们王人还在效劳在这里，十几年从刚刚毕业的学生，然后到当今 30 几岁、40 岁的中坚力量。能够和他们沿途责任，认为很运道，而且还一直效劳在这里。而在翌日的话，咱们还将看管在 FAST，肯定 FAST 会带给咱们更多的科学发现，也期待全球和咱们沿途期待新的科学发现。
演讲者：姚蕊
笔墨整理：猫撸暖锅
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