“天眼”工程里的中国创造

科普中国-科技创新里程碑 2016-09-28

　　这是6月30日拍摄的500米口径球面射电望远镜工程反射面板的局部。被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜，是具有我国自主知识产权、最灵敏的射电望远镜。它的落成启用，对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。新华社记者刘续摄

　　新华社北京９月２５日电题：“天眼”工程里的中国创造

　　新华社记者

　　被誉为“中国天眼”的５００米口径球面射电望远镜，是具有我国自主知识产权、最灵敏的射电望远镜。它的落成启用，对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。

　　上世纪９０年代，科学家们期望，在电波环境彻底被破坏之前，真正看一眼初始的宇宙，弄清宇宙结构的形成演化，推动相关科学研究的突破，只有大射电望远镜才能帮助人类实现这一梦想。

　　在这一背景下，中国天文学家１９９４年提出利用贵州的喀斯特洼地建造大射电望远镜，形成了中国“天眼”的最初设想。

　　从预研究到建成历时２２年，我国老中青三代科技工作者克服了关键技术无先例可循、关键材料急需攻关、核心技术遭遇封锁等困难，在射电望远镜口径、灵敏度、分辨率、巡星速度等关键指标上全面超越国际先进水平。

　　“２０多年前的国家实力和工业技术很难支撑这么大的望远镜项目。今天我们不仅做到世界第一大口径，独创主动反射面技术，还推动了天线制造、微波电子、并联机器人、大跨度结构等相关技术的发展。”从预研究就开始参与这一工程的５００米口径球面射电望远镜工程副经理彭勃说。

　　２０１０年８月，在“天眼”工程开工前夕，团队接到哈尔滨工业大学传来消息，前期做的所有索网实验全都失败了。“国内顶级的应用于斜拉桥上的钢索，标准强度是２００兆帕、抗２００万次弯曲，用在‘天眼’实验上都断了。”馈源支撑系统总工程师孙才红说，按设计要求，‘天眼’需要强度为５００兆帕、抗２００万次弯曲的钢索，这意味着把材料工艺提高到国标的２．５倍。

　　当时负责索网疲劳问题的是刚到天文台工作不久的博士生姜鹏，他立下“军令状”，经过一年半的艰苦技术攻关，完成了索网变位策略优化及疲劳性能评估工作，降低了索网的变位应力幅，与柳州欧维姆机械股份有限公司合作研制，最终生产出满足要求的钢索。

　　美国阿雷西博望远镜的馈源平台重达１０００吨，几乎等于用固定轨道把平台架设在半空，这样的设计有利于馈源的定位，却缩小了观测角度。

　　国家天文台副台长郑晓年说，中国“天眼”采取了轻型索支撑馈源平台方案，把馈源舱减重到３０吨，覆盖天顶角是美国望远镜的两倍，并通过并联机器人二级调整，最终在降低建造成本的同时，实现毫米级高精度定位。

　　但可变形的反射面和可牵引运动的馈源舱又带来新问题，“天眼”信号传输用的光缆要能在５年内抗６．６万次拉伸、信号衰减小于０．１ｄＢ，而国家标准仅为１０００次、０．２ｄＢ，国外相关技术被封锁。

　　馈源支撑系统副总工程师潘高峰说，参与研制光缆的是烽火通信科技股份有限公司和北京邮电大学林中教授团队。当时烽火通信的生产线全部饱和，一条生产线每天产能４０千米，每次为生产２００米的试验光缆，来回调整配方工艺要耽误两天。光缆试验一次周期长达数月，林中教授不仅为设计提供大量技术研究，为确保试验周期不中断，除夕夜还坚持去实验室记录试验数据。

　　“经过多次试验，花费４年时间，最终用在‘天眼’上的动光缆可经受反复弯曲、卷绕和扭转等机械性能和恶劣自然环境考验，满足了设计需求，但项目预算的研制经费只有３００万元。”５００米口径球面射电望远镜工程总工艺师王启明说，还有很多参建企业和科研单位，都首先从社会责任出发支持大科学工程，把经济效益放在其次。

　　“天眼”工程是一套复杂的系统工程，除了反射面、馈源舱和接收机等核心系统，还包括庞杂的综合布线工程和数据处理系统。“高灵敏度”、“更多来自宇宙的讯息”也意味着海量数据存储和复杂的计算要求。

　　中国“天眼”作为射电天文学界的重要突破，其对数据存储与计算的需要同样也是“天文级”的。短期内“天眼”的计算性能需求至少需达到每秒２００万亿次以上，存储容量需求达到１０ＰＢ以上。而随着时间推移和科学任务的深入，其对计算性能和存储容量的需求将爆炸式增长。

　　由曙光公司打造的超算中心的接入，就像是给“天眼”连接上了计算“大脑”，将其探测到的未知信息处理成人类可解读的内容。

　　据曙光公司总裁历军透露，超算系统全部建成后，将以更高效能的数据存储、分发、计算和分析全力支撑“天眼”高灵敏度、高性能的天文观测。

　　中科院国家天文台台长严俊说，中国“天眼”的研制和建设，体现了我国自主创新能力，由最初不到５人的研究小组发展到上百人的团队，工程建设凝聚了国内１００多家单位的力量，实现了我国大科学工程由跟踪模仿到集成创新的跨越，将为我国射电天文多个研究领域和自然科学相关领域提供重大发现的机会。（记者齐健、王丽、骆飞、白国龙）