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公司參與世界最大單口徑射電望遠鏡FAST項目研發

瀏覽次數:發布時間:2018-10-07

  受北京研究機構委托,飛暢科技參與世界最大單口徑射電望遠鏡FAST項目,研發Multiturn absolute encoder,Rotary Encoder...等多種傳感器的高速電信號到電磁屏蔽室的光傳輸轉換設備,解決了原來一直困擾的傳感器電信號進電磁屏蔽室前濾波后信號畸變的難題與一般的光電傳輸方案在高速率電信號側經光電轉換后時鐘的時延匹配失敗的難題;

  飛暢科技多年的光傳輸領域技術研發積累,能為中國領先于世界的科技項目盡一份綿薄之力而感到欣慰。


 

 

  解密世界最大單口徑射電望遠鏡“天眼”(FAST)(神秘的地球配圖)

  (神秘的地球報道)據南方都市報:“警告你們:不要回答!不要回答!不要回答!你們的方向上有千萬顆恒星。如果回答,發射源將被定位,你們的行星系將遭到入侵,你們的世界將被占領!不要回答!不要回答!不要回答!”這是科幻小說《三體》中,女主人公所在的“紅岸基地”,偶然收到的一通來自外星文明的無線電波。

  其實,接收宇宙無線電波的現實版“紅岸基地”,正在貴州省平塘縣克度鎮金科村“大窩凼”洼地建設。當前世界最大單口徑射電望遠鏡“天眼”(FAST)建設項目已進入沖刺階段。建成后,這架500米口徑的球面射電望遠鏡接收面積相當于30個足球場。

  2015年12月26日,FAST總工程師助理兼反射面系統副總工姜鵬,在北京天文館2015年公眾科學講座上透露了“天眼”是如何搭建起來的,以及在建設中如何克服相關技術挑戰。據悉,與被評為人類20世紀10大工程之首的美國阿雷西博望遠鏡相比,“天眼”的綜合性能提高約10倍,整個工程預計于2016年9月竣工。

  定位了300多個洼地最終花落貴州“大窩凼”

  很多人也許會感到奇怪:“天眼”為何選址地形復雜的貴州省?據姜鵬介紹,為了給“天眼”找到一個合適的“眼窩”,科學家們前前后后花了十多年的時間。1993年國際無線電聯大會上,包括中國在內的10國天文學家提出建造新一代射電“大望遠鏡”的倡議,旨在回溯原初宇宙,解答天文學中的眾多難題。

  1995年底,射電“大望遠鏡”中國推進委員會提出利用貴州喀斯特洼地建造球反射面的“喀斯特工程”概念。經過反復篩選,最終在平塘縣克度鎮找到了“大窩凼”———最適合碩大“天眼”的深深的“眼窩”。到了2007年,項目正式立項并確定選址。2011年3月,FAST工程在貴州開工建設。

  選址耗費如此長的周期,這是因為項目組一直在琢磨,怎樣才能把工程開挖量降到最低。通過衛星搜索,工程師們在全國定位了300多個洼地。通過層層篩選,人們發現,位于黔東南的“大窩凼”洼地形狀大而圓,與FAST造型最接近。除此之外,這篇洼地附近一帶人煙稀少、寧靜的曠野環境還有利于減少電磁波對FA ST帶來的干擾。綜合這些因素,“眼窩”最終于2007年花落“大窩凼”。

  在復雜地形中“鑄造”一口500米口徑的“大鍋”

  與一般的鍋式衛星天線工作原理類似,FA ST由反射信號的拋物面和接收信號的饋源兩大部分組成。利用拋物面(俗稱“鍋”)的反射聚焦,把信號聚攏到一個點上。這里的拋物面,從形狀上來看就是一口巨大的“鍋”。只不過它所盛裝的,是“天外來客”們發出的信號。

  這一次施工的地點位于崎嶇的山區,如何在復雜的地形中鑄造一口口徑500米的“大鍋”,確實讓專家們費足了腦筋。各路人馬獻計獻策,曾有人提議采用分離式技術,下面采用密密麻麻的剛性支架支撐。不過最終,“索網”方案得到采納。

  按照“索網”方案,“天眼”工作的時候能夠跟隨天體轉動,跟蹤掃描射電源??茖W家們首先通過控制6根鋼索,帶動饋源艙在距離地面140-180米、直徑為207米的球冠面上運動。接著通過2225個促動器拉扯鋼索網,帶動網上的4450個反射面板來使“天眼”聚集。如此一來,天眼就如同人的眼睛一樣可以自由轉動。反射面板接收到射電電磁波信號后,會將宇宙信號匯聚到饋源艙。

  拼接反射面面板全靠工程隊伍空中作業

  去年2月4日,FAST索網已完成制造和安裝?,F在,如果你有機會到項目工程實地參觀,可以看到一張由6000多根鋼索編織而成的巨大“漁網”。但姜鵬卻說,看著壯觀的大網,編織起來可并非易事。

  據了解,整個索網共計有2225個節點,索網安裝跨度極大。工程隊伍采用空中作業的方式,將每一個索網和反射面面板吊起,經過精確的位置測定后完成拼接,面型的控制偏差須在RMS 5mm以內。為保證精度,專家們特別打造了一間恒溫室生產拉索。

  更大的難題來自溫度變化給鋼柱帶來的形變,50℃的溫差就意味著300毫米的變化。姜鵬介紹,為了適應山勢起伏,支撐反射面結構的鋼柱高低各不相同。為了防止變形不均勻,環梁與鋼柱的連接處加上滑移支座。這樣支撐環梁就可以在支撐柱上面自由的伸縮,更加均勻地變形了。

  這好比是給變形留出了緩沖的余地,最大變形距離可達0 .47米。如此一來,打通了“視神經”的“天眼”就可以做到靈活自如地變換對焦。值得一提的是,受自重和風載引起形變所制,傳統全可動望遠鏡的最大口徑一般只有100米。采納索網結構的500米口徑“天眼”輕松突破百米極限,不僅開創了巨型射電望遠鏡建造的新模式,且投入使用后的靈敏度將為目前世界上最大的美國阿雷西博天文望遠鏡的3.25倍。

  “天眼”建成后將搜索地外理性生命

  從醞釀至今,即將完工的“天眼”項目已經走過20多個年頭。在投入使用之后,它將會在哪些領域大顯身手?中科院國家天文臺射電部首席科學家李菂在接受媒體采訪時表示,“天眼”的主秀場仍是天文領域,比如:探測宇宙中的遙遠信號和物質、開展從宇宙起源到星際物質結構的探討、對暗弱脈沖星及其他暗弱射電源的搜索、高效率開展對地外理性生命的搜索等。

  FAST工程常務副經理、國家天文臺副臺長鄭曉年在接受媒體采訪時也說,建成后的“天眼”將有能力巡視宇宙中的中性氫、探測星際分子、觀測脈沖星、搜尋星際通訊信號。借助這只敏銳的大眼睛,人類在尋找地外文明的路上又向前邁進了一步。

  去年12月初,法國圖盧茲(Toulouse)國家科學研究中心(CNRS)以及天體物理學和行星學研究所的天體物理學家皮埃里克·馬丁(Pierrick Martin),使用N A SA的費米伽馬射線空間望遠鏡在銀河系之外、距離地球163000光年的其他星系中,發現了第一顆伽馬射線脈沖星,并創下已知最明亮伽馬射線脈沖星的新紀錄。

  而探測河外脈沖星,本身就是FAST的立項目標之一。經中科院國家天文臺測算,“天眼”的索網的變形次數大約為100多萬次,服役年限為30年。李菂對FAST未來的表現很有信心,“待建成后,FAST將在未來20年內保持世界一流地位。”

  6座百米高的支撐塔

  通過控制6根鋼索,帶動饋源艙在距離地面140—180米、直徑為207米的球冠面上運動

  饋源艙重約30噸(包括星型框架、Stewart平臺、艙罩等設備)

  通過2225個促動器拉扯鋼索網,帶動網上的4450個反射面板來使“天眼”聚集

  “天眼”如何躲避風雨雷電

  “天眼”建在貴州“天坑”中,那么大一個龐然大物,又是如何躲避風雨雷電?

  雨水的因素,科學家們在選址的時候,就已經考慮到了。姜鵬表示,并不僅僅是形狀符合要求,就把“眼窩”的位置確定在貴州。更復雜的還在后面,進入實地勘探階段,項目組需要對洼地進行深入的地質評價。

  “整個洼地打了至少600多個孔,簡直成了一個大篩子。”喀斯特地貌獨有的成熟的地下暗河網絡與數量眾多的溶洞帶來了驚喜:這賦予了“天眼”天然的落水功能,一旦下雨,水會很快地向地下滲透,避免在望遠鏡臺址積水,對電子設備造成破壞。

  截至去年12月,反射面安裝工程已經過半,“天眼”的雛形初步顯現:巨大的山谷被一個由鋼索織就的半球形“網兜”填滿,約一半的“網兜”被銀色的反射面板覆蓋著,在四面青山的映襯下,猶如一塊明晃晃的鏡子。

  姜鵬提醒,近距離觀察會發現,看似光溜的鋁合金主動反射面面板上其實密布著無數孔洞。原來,這些密布的小孔是用來減少風負載,從而降低超過4-5米每秒的風速給“天眼”探測工作帶來的影響。

  與此同時,孔洞還能提高透光率,讓天線面的草木得以生長,避免水土流失。“水土保持非常重要,不然一旦水土流失嚴重,洼地遇到下雨就整個變成了泥塘。”姜鵬表示,綠化雖好,但肆意生長的藤蔓如果爬到反射面板上,同樣會對探測工作造成干擾。目前,項目組團隊定期會和工人師傅一起清理過度生長的雜草。

  除此之外,貴州當地惡劣的氣候條件也是很多人關心的問題。極端的雨雪、冰雹和雷暴天氣,“天眼”能扛得住嗎?對此,姜鵬表示“天眼”已做了相應的準備,例如:為避雷,給所有金屬設備整體接地,一旦遭遇雷電能很快消散。“而且按經驗測算,極端天氣在一年中所占的比例非常小(通常在10天左右),因此影響不會太大。”

  射電望遠鏡的前世今生

  天文望遠鏡的發展經歷了從小口徑到大口徑,從短到長的演變?,F在來看,天文望遠鏡的發展主要集中在兩個方向,一個是“上天”,一個是“占地”。由于地球大氣的影響,大部分短波長的紫外線和X射線都無法觀測,所以就只能利用航天技術將望遠鏡送到外太空,其中開普勒望遠鏡、哈勃空間望遠鏡都是此類。所謂“占地”指的是地面望遠鏡,比如我國目前正在建設中的射電望遠鏡FAST。

  射電望遠鏡作為天文望遠鏡的一種,其發展過程同樣代表了人類探索宇宙的進步。直到1873年,麥克斯韋的著作《電磁理論》問世,系統全面地闡述了電磁場理論,人們才恍然大悟:原來光也是一種電磁波,并且在長長的電磁波譜上,可見光只占極小一部分。

  進入20世紀,科學家在測量地球電離層的高度時發現:波長短于60米的電磁波在穿過電離層時,幾乎全部一去不回頭。這一現象讓研究者們腦洞大開:既然波長短于60米的電磁波能從地球毫無遮擋地沖向宇宙,反過來,來自宇宙的類似電磁波或許也能穿過大氣層抵達地球。

  就這樣,人類觀測宇宙無線電的大幕就此拉開。1931年,美國貝爾實驗室用天線陣接收到了來自銀河系中心的無線電波。從此,射電天文學正式誕生了。此后數十年,脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機分子相繼“浮出水面”。

  誕生80多年來,射電望遠鏡本身也經歷了迅速的發展。1955年,英國在曼徹斯特的焦德雷爾班克觀測站建成可轉動的口徑76米的洛弗爾射電望遠鏡。1972年,當時世界最大的全向轉動射電望遠鏡德國波恩望遠鏡建成,拋物面天線直徑達100米。

  1963年,阿雷西博射電望遠鏡在中美洲波多黎各島上建成,初建口徑305米(后擴建為350米),目前已超齡服役的阿雷西博仍是世界上已落成的最大單面口徑射電望遠鏡。

  1974年,為慶祝改造完成,阿雷西博望遠鏡向距離地球2.5萬光年的球狀星團M13發送了一串由1679個二進制數字組成的信號,稱為阿雷西博信息。在圖案的最下方還附注著人類接收和發送無線信號的“太陽灶”圖像。

  目前,除了中國在建的“天眼”FAST工程,在兩年之后全稱為“平方公里陣列射電望遠鏡”的SKA項目也將會開工。畢業于北京大學天文學系,現在澳大利亞聯邦科學與工業研究組織天文與空間科學研究所(CASS)進行博士后研究的青年天文學者代實,正是SKA項目的成員。

  據他介紹,SKA將由建造在澳大利亞和南非的數千個較小的天線組成,約2030年投入使用,有望成為人類有史以來最大的望遠鏡。

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