在貴州群山環(huán)抱的喀斯特洼坑中，500米口徑的“中國天眼”如同一口銀色巨鍋，時(shí)刻捕捉著來自遙遠(yuǎn)天際的電磁波。它是我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST），是世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，在脈沖星搜尋、中性氫觀測(cè)、快速射電暴發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域居于國際領(lǐng)先。FAST于2016年9月25日落成，2020年1月11日通過國家驗(yàn)收，正式開放運(yùn)行。

若你仔細(xì)觀察這口“巨鍋”，會(huì)注意到其反射面底部感覺有個(gè)形似正五邊形的缺口。這個(gè)看似不完整的設(shè)計(jì)，實(shí)則被嚴(yán)絲合縫地封堵著，背后蘊(yùn)含著精妙的工程智慧。

FAST望遠(yuǎn)鏡整體照片（圖片來源：FAST運(yùn)行和發(fā)展中心）

Part.1

“天眼”底部為什么缺了一塊？

“天眼”底部的“洞”是怎么來的，為什么會(huì)存在這個(gè)五邊形缺口？答案與FAST望遠(yuǎn)鏡的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)設(shè)施——位于反射面底部的饋源艙�？科脚_(tái)有關(guān)。饋源艙是一個(gè)直徑約13米、重30噸的金屬艙體，艙體內(nèi)裝載著超低溫制冷的接收機(jī)、饋源喇叭等精密儀器�？稍诎倜追秶鷥�(nèi)實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的精準(zhǔn)移動(dòng)和姿態(tài)調(diào)整，核心作用是確保艙內(nèi)接收機(jī)穩(wěn)定接收反射面匯聚的宇宙無線電波信號(hào)。

�？科脚_(tái)位于反射面的底部，主要作用有兩方面：一是作為維護(hù)基地。它是饋源艙的維護(hù)中心，支持定期檢查、維修及設(shè)備更換。以饋源接收機(jī)的更換或維護(hù)為例，饋源艙平時(shí)懸于140米高空，在這樣的高度開展維護(hù)顯然不現(xiàn)實(shí)，因此必須將其降至望遠(yuǎn)鏡底部進(jìn)行操作。二是作為索系安裝與更換的基礎(chǔ)裝置。拖動(dòng)饋源艙的6根鋼索壽命有限，需定期更換，而該平臺(tái)提供了驅(qū)動(dòng)索系的安裝和更換接口，可保障鋼絲繩的穩(wěn)定性和可靠性。

由于開展上述兩項(xiàng)工作時(shí)，平臺(tái)的裝置會(huì)高于反射面板，因此這個(gè)五邊形缺口正是為適配平臺(tái)而專門設(shè)計(jì)的。

Part.2

五邊形缺口的封堵方案：從“機(jī)械花瓣”到“隱形斗篷”

這個(gè)五邊形缺口難道就一直保持開放狀態(tài)嗎？答案是否定的。

這需要從射電望遠(yuǎn)鏡的“靈敏度”說起——射電望遠(yuǎn)鏡的靈敏度主要取決于其有效接收面積和系統(tǒng)噪聲溫度。當(dāng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，若所使用的拋物面包含底部缺口對(duì)應(yīng)的面積，接收機(jī)會(huì)接收到來自地面的熱輻射，進(jìn)而導(dǎo)致FAST整體的系統(tǒng)溫度升高。這與天眼的“回照”策略類似：當(dāng)天眼觀測(cè)天頂角大于26.4度的天體時(shí)，饋源接收機(jī)會(huì)“照”到地面，此時(shí)需調(diào)整接收機(jī)姿態(tài)以避免接收地面輻射干擾。兩者本質(zhì)上都是為了隔絕地面的“雜音”。

因此，需要對(duì)這個(gè)五邊形缺口進(jìn)行靈活封堵。而制定封堵方案需重點(diǎn)考慮兩方面因素：

一是需適配天眼的“變形”特性，當(dāng)FAST追蹤不同天體時(shí)，反射面會(huì)從初始球面變形為瞬時(shí)拋物面。此時(shí)索網(wǎng)(由數(shù)千根高疲勞強(qiáng)度鋼索編成的“巨型可變形網(wǎng)兜”，通過節(jié)點(diǎn)下方的下拉索和促動(dòng)器實(shí)時(shí)把局部球面拉伸成拋物面，以實(shí)現(xiàn)射電波的高效聚焦)中心正五邊形在水平投影面內(nèi)會(huì)沿鋼索軸向和垂直鋼索軸向兩個(gè)方向上分別產(chǎn)生側(cè)偏量，最大側(cè)偏量為140mm，同時(shí)5套節(jié)點(diǎn)盤（是一種高強(qiáng)度金屬連接件，每根主索交匯的連接點(diǎn)，采用圓盤形設(shè)計(jì)）的高度會(huì)產(chǎn)生變化，變化量±500mm。中心處正五邊形孔的封堵結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)，應(yīng)滿足反射面變形要求。即這些側(cè)偏量發(fā)生時(shí)，封堵方案需不受任何影響；

二是需具備快速拆除及快速恢復(fù)的能力。當(dāng)饋源艙準(zhǔn)備入港前，該封堵結(jié)構(gòu)按面板、桁架梁、鋼索和中心節(jié)點(diǎn)盤的次序被依次快速拆除，騰出空間容納饋源艙入港停靠。當(dāng)FAST饋源艙離港后，可按照與拆卸相反的順序快速恢復(fù)封堵結(jié)構(gòu)。

封堵方案經(jīng)歷了從“機(jī)械花瓣”到“隱形斗篷”的進(jìn)化史。早期的實(shí)驗(yàn)方案可簡單理解為“花瓣式”：用五塊三角形反射面板組成一個(gè)可開合的結(jié)構(gòu)，像五片花瓣圍在中心。觀測(cè)時(shí)“花瓣”閉合，讓反射面保持完整；需要維修時(shí)“花瓣”打開，給饋源艙讓道。其中一塊“花瓣”開合的過程見如下視頻：

反射面早期的封堵實(shí)驗(yàn)方案視頻（視頻來源：FAST運(yùn)行和發(fā)展中心）

這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)很明顯：觀測(cè)過程中，如果300米的瞬時(shí)拋物面覆蓋中心底部的五塊三角形，閉合狀態(tài)下則能充分利用五邊形區(qū)域的反射面面積，讓天眼的接收面積更大。但缺點(diǎn)也很突出——“花瓣”開合速度太慢。每次打開或閉合，耗費(fèi)的時(shí)間會(huì)大于40分鐘。這個(gè)“耗時(shí)短板”，讓“花瓣式”方案最終沒能落地。

目前的實(shí)驗(yàn)方案，是把封堵的五塊面板換成一張“索張拉柔性網(wǎng)”，就像給缺口披了件“隱形斗篷”。該方案參考FAST運(yùn)行和發(fā)展中心李輝的專利——《一種FAST反射面中心孔索張拉柔性封堵結(jié)構(gòu)》（專利號(hào)：CN108736169A）。

該方案的優(yōu)勢(shì)在于，其封堵結(jié)構(gòu)由柔性網(wǎng)與輕質(zhì)面板組成，不僅重量更輕，操作也更為靈活，拆除過程僅需10分鐘左右。不過，該方案也存在一定局限：在觀測(cè)過程中，若拋物面覆蓋了中心底部區(qū)域，會(huì)損失原五塊反射面板的接收面積。但這部分面積僅占300米瞬時(shí)拋物面的不到1%，對(duì)整體靈敏度的影響微乎其微。

權(quán)衡之下，“高效優(yōu)先”的柔性網(wǎng)方案成了最終選擇。如今，當(dāng)天眼需要維修時(shí)，這層“隱形斗篷”會(huì)迅速收起；觀測(cè)時(shí)又會(huì)嚴(yán)絲合縫地蓋好，讓天眼始終保持最佳狀態(tài)。

反射面底部當(dāng)前的封堵現(xiàn)狀（圖片來源：FAST運(yùn)行和發(fā)展中心）

封堵拆除過程（視頻來源：FAST運(yùn)行和發(fā)展中心）

Part.3

為什么反射面周邊還有“小洞”？

其實(shí)，當(dāng)我們俯視這口“大鍋”時(shí)，細(xì)心的觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn)：除了中心底部的大缺口，反射面周邊還有不少小洞。從上圖“反射面底部當(dāng)前的封堵現(xiàn)狀”中，也能清晰看到其中散布的兩個(gè)“小圓洞”。這些小洞又是怎么回事？答案藏在天眼的“定位系統(tǒng)”——“測(cè)量基墩”里。

FAST測(cè)量基墩照片（圖片來源：FAST運(yùn)行和發(fā)展中心）

作為為望遠(yuǎn)鏡面型調(diào)整和饋源定位提供穩(wěn)定支撐的基座，測(cè)量基墩是保障測(cè)量精度的核心。望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行時(shí)，饋源艙的實(shí)時(shí)精確定位、拋物面的面型精度測(cè)量，均離不開這一基礎(chǔ)裝置�；丈喜荚O(shè)的徠卡測(cè)量儀器可支持全自動(dòng)化測(cè)量，若將儀器置于面板下方，信號(hào)會(huì)被遮擋，測(cè)量工作便無從開展。因此，工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)特意留設(shè)孔洞，讓光束、信號(hào)與儀器得以“各行其道”。

反射面的面型測(cè)量是如何實(shí)現(xiàn)的呢？首先在反射面節(jié)點(diǎn)（即三角形面板的連接點(diǎn)）安裝靶標(biāo)，每個(gè)靶標(biāo)相當(dāng)于一個(gè)需測(cè)量相對(duì)位置的目標(biāo)點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，安置在測(cè)量基墩上的全站儀會(huì)發(fā)射調(diào)制紅外光，對(duì)這些靶標(biāo)的位置進(jìn)行采集，工程師根據(jù)這些點(diǎn)的空間位置分布精確描繪出反射面的形狀，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)面型的測(cè)量。

測(cè)量基墩與反射面靶標(biāo)（圖片來源：新華社 歐東衢）

當(dāng)然，這一過程需解決基準(zhǔn)網(wǎng)構(gòu)建、大氣折光消除等技術(shù)問題。而饋源艙的位姿測(cè)量則采用多站交會(huì)技術(shù)：在反射面內(nèi)的基準(zhǔn)點(diǎn)部署3臺(tái)全站儀，通過測(cè)量饋源艙邊緣棱鏡的坐標(biāo)，結(jié)合交會(huì)算法解算得出艙體的空間位置。

全站儀工作狀態(tài)照片（圖片來源：FAST運(yùn)行和發(fā)展中心）

為了給饋源艙留“維修站”，工程師們“讓”出一塊面積，又用巧妙的封堵方案補(bǔ)上了性能短板；為了保證測(cè)量精度，他們故意留下反射面周邊的“小洞”，又用精準(zhǔn)的布局讓這些缺口不影響整體功能。這些設(shè)計(jì)背后，是對(duì)每一個(gè)細(xì)節(jié)的反復(fù)推敲。

從中心的五邊形缺口到周邊的小圓洞，F(xiàn)AST的這些“不完美”設(shè)計(jì)，恰恰體現(xiàn)了工程智慧的精髓：科學(xué)探索從來不是追求形式上的圓滿，而是在約束與需求之間，找到那個(gè)精妙的最優(yōu)平衡點(diǎn)。

出品：科普中國

作者：窩凼碼農(nóng)（中國科學(xué)院國家天文臺(tái)/FAST運(yùn)行和發(fā)展中心控制組組長）

監(jiān)制：中國科普博覽

本文僅代表作者觀點(diǎn)，不代表中國科普博覽立場(chǎng)

本文首發(fā)于中國科普博覽（kepubolan）

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明公眾號(hào)出處

推薦資源

關(guān)注使用“科學(xué)與中國”小程序，可觀看以院士科普視頻為代表的優(yōu)秀科普視頻，第一時(shí)間獲取中國科學(xué)院公眾科學(xué)日、科學(xué)節(jié)等科普活動(dòng)報(bào)名信息。

轉(zhuǎn)載注明出處 未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載

轉(zhuǎn)載授權(quán)、合作、投稿事宜，聯(lián)系webmaster@kepu.net.cn

中國科普博覽是中國科學(xué)院科普云平臺(tái)，依托中國科學(xué)院高端科學(xué)資源，致力于傳播前沿科學(xué)知識(shí)，提供趣味科教服務(wù)。