作者:中國科學(xué)院國家天文臺研究員、“中國天眼”FAST調(diào)試組組長 姜鵬

2017年,“中國天眼”第一次探測到脈沖星。脈沖星是一種高密度的天體,一顆方糖大小體積的脈沖星質(zhì)量就達(dá)上億噸,它的發(fā)現(xiàn)將有可能為我們揭示更多極端物理?xiàng)l件下的物理規(guī)律。

“中國天眼”是一個(gè)500米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡,反射面的面積相當(dāng)于30個(gè)足球場的大小,它是世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡,我就是這個(gè)望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的調(diào)試工作負(fù)責(zé)人。

其實(shí)我是一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師。2009年,我博士畢業(yè),正好看到這個(gè)工程的招聘廣告,它要求工程控制精度達(dá)到毫米級。我想看看這個(gè)項(xiàng)目到底是怎么實(shí)現(xiàn)的,所以就來到了這里。

結(jié)果我發(fā)現(xiàn),工程的很多項(xiàng)目都處在研制階段,就連當(dāng)時(shí)的總工程師南仁東先生也并不確認(rèn)這個(gè)望遠(yuǎn)鏡一定能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),或者說能完全實(shí)現(xiàn)他的預(yù)期設(shè)想。

我們就這樣開始了逢山開路、遇水搭橋的艱難歷程。從開挖地基到建第一個(gè)環(huán)梁結(jié)構(gòu),再鋪上索網(wǎng),最后建成世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。

它究竟有多大呢?如果把它比喻成一口鍋的話,盛滿水,全世界每個(gè)人都可以分到4瓶水。

它的反射面,可以比喻成“天眼”的視網(wǎng)膜。它是一個(gè)500米口徑的鋼梁,架在了50根巨大的鋼柱上,然后有一個(gè)6670根鋼索編織的索網(wǎng)掛在環(huán)梁上,上面鋪著4450塊反射面單元,下面是2225根下拉索,固定在地面的觸動(dòng)器上。通過這些觸動(dòng)器拽這些下拉索,就可以控制索網(wǎng)的形狀,一會兒是球面,一會兒是拋面,進(jìn)行天文信號的收集和觀測。

這個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu),是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的索網(wǎng)工程。一般來說,一個(gè)工程有一項(xiàng)世界第一就已經(jīng)很難了,但是這個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)卻集了三項(xiàng)世界第一,你可以想象它的難度有多大。

我們面對的一大技術(shù)難題就是索疲勞問題。傳統(tǒng)索結(jié)構(gòu)主要用于承重,但是“天眼”是需要變形的,一會兒球面,一會兒拋物面,它要對不同的天體進(jìn)行觀測,它一直在動(dòng),所以它的鋼索更像是彈簧,對疲勞的性能要求極高。

當(dāng)時(shí)我們從市面上購買了十余根鋼索結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn),結(jié)果沒有一例能滿足我們的使用要求,這對我們來說是一個(gè)非常沉重的打擊。因?yàn)殚_挖工程已經(jīng)開始,設(shè)備金屬工程也迫在眉睫,但由于索疲勞問題,這個(gè)反射面結(jié)構(gòu)形式遲遲定不下來。

南仁東老師隔三差五就找我去討論技術(shù)問題。每次我見到他的時(shí)候,他的頭發(fā)都是立著的,天天都在焦慮,不知道該怎么解決。

我們首先對鋼索的疲勞性能進(jìn)行了評估,最終確定的疲勞強(qiáng)度比傳統(tǒng)規(guī)范的兩倍還要多。然后,我們進(jìn)行了可能是有史以來最系統(tǒng)、最大規(guī)模的索疲勞試驗(yàn),幾乎經(jīng)歷了所有可能發(fā)生的各種破壞形式,經(jīng)過近百次失敗,與多家企業(yè)進(jìn)行合作,終于歷時(shí)兩年,研制出了一種適用于“天眼”的成品鋼索結(jié)構(gòu)。從那以后,南仁東老師的頭發(fā)才變平了。

其實(shí),鋼索的難題還不光如此,它是由6670根鋼索編成的一個(gè)索網(wǎng),每個(gè)索都不是一樣長短的,粗細(xì)也不一樣。它要有毫米級的成型精度,所以有一根索加工錯(cuò)了或者安裝錯(cuò)了,都會導(dǎo)致整個(gè)索網(wǎng)無法精確成形。因此這個(gè)工程的實(shí)施過程非常艱難。

“視網(wǎng)膜”安裝好了,還有“瞳孔”,也就是“天眼”的饋源艙。饋源艙體積很小,有30噸重,是一個(gè)接收裝置,能對電磁波信號進(jìn)行收集。

隨后我們對整個(gè)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行整體聯(lián)調(diào),不光饋源艙,還包括反射面,包括整個(gè)“視網(wǎng)膜”和“瞳孔”的協(xié)同動(dòng)作,這樣就可以實(shí)現(xiàn)對固定目標(biāo)的跟蹤。

完成這件事之后,我給南仁東老師發(fā)了一條微信,告訴他這個(gè)事做成了。當(dāng)時(shí)他身體已經(jīng)非常不好了,他感覺很欣慰,給我回了一個(gè)微信,對我們表示祝賀。這也是南仁東老師發(fā)給我的最后一條微信。

“中國天眼”具有超高的靈敏度和大覆蓋天區(qū),它使中國制造的望遠(yuǎn)鏡在靈敏度這個(gè)技術(shù)指標(biāo)上,站在了世界的制高點(diǎn)上。

但是讓它能正常工作仍是非常難的。它是非常特殊的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡,跟其他望遠(yuǎn)鏡的工作模式不太一樣。它有大量的運(yùn)動(dòng)部件和機(jī)械裝置,我們必須努力地工作,進(jìn)一步降低望遠(yuǎn)鏡故障對望遠(yuǎn)鏡觀測性能的影響,而且要保證它隨時(shí)想看就能看,想看什么就能看什么,還要保證風(fēng)、雨、霧盡量減少影響它的觀測時(shí)長。

我們?nèi)栽谂?爭取在未來兩年給中國的天文界一個(gè)滿意的答卷。

(本報(bào)記者徐蓓整理,內(nèi)容由“中國科普博覽、SELF格致論道講壇”提供)