2016年 “中国天眼”FAST落成启用

科普中国网 2018-11-19

　　2016 年 9 月 25 日，500 米口径球面射电望远镜（FAST）在贵州省平塘县的喀斯特洼坑中落成，开始接收来自宇宙深处的电磁波。FAST 作为国之重器，是国家科教领导小组审议确定的国家九大科技基础设施之一。习近平总书记在竣工之日发来贺信：“500 米口径球面射电望远镜被誉为‘中国天眼’，是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、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。”

　　“中国天眼” 国之重器

　　被誉为“ 中国天眼”的 FAST 于 2016 年 9 月落成启用。它是由中国科学院国家天文台主导建设的、我国拥有自主知识产权的世界最大单口径射电望远镜。如今，它已经聆听到来自遥远宇宙中脉冲星婴儿心跳般的声音。

FAST 观测脉冲星示意图

　　在建设过程中，以 FAST 工程首席科学家南仁东为首的科研团队逢山开路、遇水搭桥，从立项、选址到开挖，到第一个环梁结构搭建，再到铺上索网，团队从始至终坚持了 22 年，最后建成了这一世界上最大的 500 米单口径射电望远镜。FAST 究竟有多大呢？如果把它看作一口盛满水的锅，全世界每个人都可以分4 瓶水，够所有人喝一天的。由此也可以想象，我国科研团队建造它的难度有多大。

　　FAST 的反射面被形象地称为“天眼”的视网膜。解剖其结构可见 500 米口径的钢梁架在 50 根巨大的钢柱上，一张6670 根钢索编织的索网挂在环梁上，上面铺着 4450 块反射面单元，下面装有 2225 根下拉索，固定在地面促动器上。通过这些促动器拽拉下拉索，就可以控制索网的形状，一会儿是球面，一会儿是抛面，从而进行天文信号的收集和观测。

　　FAST 作为世界最大的单口径望远镜，将在未来 20 ～ 30 年保持世界一流地位。FAST 选择独一无二的贵州天然喀斯特洼地台址，应用主动反射面技术在地面改正球差，加之轻型索拖动馈源支撑将万吨平台降至几十吨，这三大自主创新优势，使其突破了望远镜的百米工程极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。

　　敢为人先筑造“天眼”

　　为了给“天眼”找到独一无二的台址，南仁东无数次往返于北京和贵州之间，带着 300 多幅卫星遥感图，用双脚丈量了贵州大山的每个角落。最终他选定贵州天然喀斯特巨型洼地作为望远镜台址，使得望远镜建设得以突破百米极限。

　　建设“天眼”是一项前无古人的大工程，在这段曲折的道路上，南仁东顶着压力，风雨兼程。他全面指导 FAST 工程建设，主持攻克索疲劳、动光缆等一系列技术难题，为 FAST 工程顺利完成作出卓越贡献。

　　2017 年 9 月 15 日，72 岁的南仁东永远地闭上了双眼，我们在星空的这一端，而他在星空的那一端。“人是要做一点事情的”，南仁东“踏踏实实做点事情”的精神会一直激励着 FAST 团队，激励着每个人。

南仁东

　　“天眼”调试让“眼珠”动起来

　　一般来说，巨型望远镜调试都会涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科领域，是一项强交叉学科的应用性研究，因此国际上传统大射电望远镜的调试周期很少短于 4 年。FAST 开创了建造巨型射电望远镜的新模式，其调试工作也更具挑战性。

　　FAST 有两个主要系统，即反射面系统和馈源支撑系统。反射面系统的主要作用是精准地形成抛物面，这样才可以将天体发出来的平行光尽可能高效地汇聚到焦点上。馈源支撑系统要将接收机控制到焦点的位置，并保证接收机的正确姿态，以最大的效率收集抛物面汇集的电磁波信号。

　　FAST 巨大的接收面积注定了它有其他望远镜无法比拟的优势，即超高的灵敏度。与此同时，相对于其他望远镜而言，它的系统构成更加复杂。一般望远镜只有俯仰轴和自转轴两套驱动控制系统，而FAST 仅反射面控制就需要 2200 多台促动器协同动作，并且索网把 2200 多台促动器连在一起，形成了一个复杂的耦合控制系统，可以说是“牵一发动全身”。任何一台促动机出现问题后的维修工作都会影响 FAST 的有效观测时长。

　　为了提高整个系统对设备故障的容忍度，调试团队研发了一套非常有趣的主动安全评估系统，这个系统可以实时读取促动器的位置信息，并将其输入力学模型，实时地进行力学仿真计算。也就是说，索网怎么动作，计算机的索网模型就怎么动作，从而可以计算出所有索力并进行安全评估。

　　这是实时力学仿真技术在安全评估领域的首次成功应用。力学仿真相比于传感器可靠得多，它是数学工具，就像 1+1 永远会等于 2，简单可靠，非常适用于 FAST 这个复杂的控制系统。

　　馈源支撑系统也同样不简单。它的控制主要分两级。

馈源支撑控制系统原理图

　　第一级是通过 6 根几百米的绳子对 30 吨的馈源舱实现的概略控制，要在 140 米高空、200 多米的尺度范围内，把馈源舱定位精度控制在 48 毫米以内。

　　第二级是通过舱内的AB 轴（万向轴）和 Stewart 平台实现接收机二级精确定位，对安装在馈源舱内的接收机相位中心进行二次精调，最终需要实现的控制精度要达到 10 毫米以内。同时，如果馈源舱在风、雨等动力载荷下产生晃动，二次精调平台还可以起到消振的作用。

　　尽管 FAST 做了 3 米、10 米、30 米和 50 米的模型试验，但是动力学试验很难实现完整的相似性。因此，不管调试团队做多少试验，都不能说明 600 米尺度下会不会有问题。

　　经过调试团队近半年的努力，发展的实时力学仿真技术大幅提升了望远镜对设备故障的容忍度，馈源支撑系统也实现了系统集成，最终于 2017 年 8 月 27 日第一次完成了反射面和馈源支撑的协同动作，首次实现了对特定目标的跟踪观测，并稳定地获取了目标源射电信号。这意味着天眼的“眼珠”可以转动了！

FAST俯视图

　　此后，“中国天眼”便可以克服地球的自转，对天体目标源进行跟踪观测。要知道，望远镜的灵敏度不仅与其接收面积有关，还与望远镜的跟踪时间有关。就像人的眼睛一样，只是扫视一下，我们只能看个大概的轮廓，如果想看清细节，就需要对着目标仔细地端详一段时间。其实，这也是 FAST 最重要的一个功能，只有能跟踪，“天眼”才能充分发挥它的最优性能。南仁东曾说过，不能跟踪就不能叫 FAST，可见他对望远镜跟踪功能的重视和期待！

　　相比于国际上现有的大型射电望远镜，FAST 是一架非传统的巨型射电望远镜，工作方式更加特殊，其调试工作也没有成熟的经验可供参考，而且系统构成更加复杂、安全风险大。

　　FAST 团队能在短期内实现望远镜的全部功能性调试，完成了最困难、最有风险的调试环节，其进度已经超过国际一般惯例及同行预期。

　　精抠细节擦亮“天眼”

　　望远镜的性能不只是其灵敏度、指向精度等硬性指标，还包括可靠性、稳定性等软性指标。简而言之，望远镜系统偶尔能达到最优性能和长期稳定地达到最优性能完全是两个概念，也是完全不同的难度系数。而 FAST 团队的目标是要做一台性能优异、同时又让科学家觉得十分好用的望远镜，这个目标从一开始就没有动摇过。

　　望远镜性能的实现主要是控制精度的实现。FAST 直径 500 米，但要实现毫米级的多目标、大范围、高动态性能的控制精度，是前所未有的。FAST 精准的控制包含两个方面：一是控制反射面系统形成尽量完美的抛物面；二是控制馈源支撑系统使馈源接收机尽可能接近焦点位置，并保持正确的姿态。

测量基准站的分布情况

　　精确的控制离不开精准的测量，反射面系统和馈源支撑系统均以激光全站仪作为测量手段。FAST 反射面内均匀地布设了 24 个测量基准站组成的基准网，第一步要做的，也是最关键的，就是精确测量 24 个基准站的绝对位置信息。

　　为了消除光路折射的影响，调试团队研发了一套双靶互瞄模式的对向观测技术，较准确地估计折光的影响并进行修正。

　　为了克服气候、温度、湿度等自然难题，科研团队研发了一套基准网的自动化监测系统，把基准网测量周期由至少半个月缩短至 10 分钟以内，这样就可以克服温度、湿度及基墩变形周期的限制，最终将望远镜测量基准网的精度提升至 1 毫米以内。

　　随着调试工作的精雕细琢，测量精度的不断提升，望远镜的性能得到明显改善。“天眼”视力越来越好，脉冲星的发现接踵而至。目前，19 波束已经完成安装调试。它可以将望远镜的视场扩大 19 倍，从而大幅地提升望远镜的巡天效率，预期更多的脉冲星发现将由此开始。“天眼”观测时将会获得射电源更精确的定位图像，发现更多的脉冲星，并能观测宇宙中不同距离不同方向的中性氢 1.4 吉赫谱线，以更好地探索宇宙历史，甚至搜寻可能存在的外星文明。

　　初心不变未来可期

　　2018 年 4 月 18 日，通过与美国国家航空航天局的费米伽马射线卫星合作，FAST 首次发现毫秒脉冲星 J0318+0253（周期 5.19 毫秒）并获得国际认证，这是中美科学装置首次在地面和太空、射电与高能波段合作完成的天文学发现，也是 FAST 继发现脉冲星之后的另一重要成果。截至 2018 年 8 月，FAST已发现 59 颗脉冲星，其中 44 颗获得国际认证。科研团队在FAST 上安装多波束接收机后，未来可做多科学目标同时巡天，即在一次扫描中，同时获取脉冲星、天体谱线、快速射电暴等数据进行分析。这一独创的技术与方法，有助于我们发现更多奇异种类的脉冲星，例如，脉冲星黑洞双星系统，使人类有可能在更加极端的引力条件下，检验爱因斯坦相对论，同时使人类有可能第一次精确测量到黑洞的质量。