FAST工程進(jìn)展及展望

李會賢，南仁東?

①中國科學(xué)院國家天文臺， 北京 100012；②中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008

FAST工程進(jìn)展及展望

李會賢①②，南仁東①②?

①中國科學(xué)院國家天文臺， 北京 100012；②中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008

中國正在建設(shè)的“十一五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目——500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)將成為世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡, 它有望在中性氫巡視、脈沖星搜索、國際VLBI網(wǎng)聯(lián)測及地外生命搜尋等重要前沿領(lǐng)域取得突破。首先對FAST工程的建設(shè)內(nèi)容及科學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了總體介紹，隨后重點(diǎn)敘述了截至2015年5月工程建設(shè)的最新進(jìn)展, 最后對FAST工程的發(fā)展做出了展望。

射電天文；單口徑射電望遠(yuǎn)鏡；FAST

1 FAST工程的主要建設(shè)內(nèi)容及科學(xué)目標(biāo)

FAST是一架直徑500 m，利用貴州現(xiàn)有的喀斯特洼坑為臺址，反射面能主動變形的球面射電望遠(yuǎn)鏡。與國際上已有的巨型單口徑射電望遠(yuǎn)鏡相比，它有三項(xiàng)主要創(chuàng)新：(1)利用天然的適于射電望遠(yuǎn)鏡建設(shè)的貴州喀斯特洼坑作為臺址；(2)利用主動變形反射面，在觀測方向上形成300 m口徑瞬時拋物面匯聚電磁波，并在地面改正球差，實(shí)現(xiàn)寬帶和全偏振觀測；(3)使用輕型索拖動饋源支撐系統(tǒng)和并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的高精度定位及跟蹤[1]。FAST的3D顯示與幾何光路圖如圖1所示，其總體技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 FAST的總體技術(shù)指標(biāo)

圖1 (a) FAST的3D顯示；(b) FAST幾何光路圖

FAST可以看作是一個主焦饋電、天頂角0～40°的射電望遠(yuǎn)鏡。因在大多數(shù)情況下，其主反射拋物面外圍有球面金屬反射面，使FAST與常規(guī)射電望遠(yuǎn)鏡相比地面的漏損小，使得饋源照明角可適當(dāng)加寬，并以此來提高觀測靈敏度。另外，主反射面的主動變形能力也給焦面場優(yōu)化和饋源設(shè)計提供了更多的靈活性。全新的設(shè)計思路和得天獨(dú)厚的臺址優(yōu)勢使FAST突破了全可動射電望遠(yuǎn)鏡的百米工程極限，開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式，并將實(shí)現(xiàn)射電望遠(yuǎn)鏡在中國的跨越式發(fā)展。

1.1 FAST的主要建設(shè)內(nèi)容

FAST的主要建設(shè)內(nèi)容包括臺址勘察與開挖、主動反射面、饋源支撐、測量與控制、接收機(jī)和觀測基地等[3]。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。下面對各系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹。

圖2 FAST系統(tǒng)構(gòu)成框圖

(1)臺址勘察與開挖系統(tǒng)。建設(shè)內(nèi)容主要包括：勘察臺址工程及水文地質(zhì)環(huán)境；開挖洼地，清理土石方量超過100萬m3；進(jìn)行大量的地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)、邊坡治理以及在洼地底部建造一條約1.2 km的泄洪通道。

(2)主動反射面系統(tǒng)。建造口徑500 m、張角110°～120°的球冠型索膜結(jié)構(gòu)。反射面背架由約6 670根鋼索編制成4 450個尺度約11 m的三角形索網(wǎng)構(gòu)成，三角形索網(wǎng)上面鋪設(shè)反射面單元面板。由2 225個液壓促動器通過下拉索驅(qū)動索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，使單元面板位移來完成反射面主動變形以達(dá)到匯聚電磁波的目的[4]。

(3)饋源支撐系統(tǒng)。在洼地周邊約600 m圓周的山峰上，建造6個112～172 m高的鋼管支撐塔，安裝6套公里尺度的鋼索柔性支撐體系及其導(dǎo)索、卷索機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)饋源艙的一級空間位置調(diào)整。重約30 t的饋源艙內(nèi)安裝AB軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人用于二級調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)饋源的10 mm空間定位精度[5]。

(4)測量與控制系統(tǒng)。包括23個毫米級精度基準(zhǔn)站組成的測量基準(zhǔn)網(wǎng)、總網(wǎng)布線、饋源艙、反射面測量與控制以及望遠(yuǎn)鏡總體控制，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對望遠(yuǎn)鏡的實(shí)時測量與控制。

(5)接收機(jī)與終端系統(tǒng)。研制7套接收機(jī)低噪音前端，覆蓋70 MHz～3 GHz的頻率范圍。核心為L波段的19波束和270～1 620 MHz的寬帶低噪音前端。研制低噪聲制冷放大器、寬頻帶數(shù)字中頻傳輸設(shè)備、高穩(wěn)定度和高精度的頻率標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及多用途數(shù)字天文終端設(shè)備。

(6)觀測基地建設(shè)系統(tǒng)。主要用于支持望遠(yuǎn)鏡的觀測、運(yùn)行和維護(hù)，包括建設(shè)望遠(yuǎn)鏡觀測室、終端設(shè)備室、數(shù)據(jù)處理中心、各關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，以及辦公、生活等輔助用房。

1.2 FAST的科學(xué)目標(biāo)

作為一個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)處于國際前沿的天文觀測設(shè)備，F(xiàn)AST蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)現(xiàn)機(jī)遇，具有對天文學(xué)產(chǎn)生重大影響的潛力。FAST的科學(xué)目標(biāo)涵蓋了廣泛的天文學(xué)內(nèi)容，從宇宙初始混濁、暗物質(zhì)、暗能量與大尺度結(jié)構(gòu)，到星系演化、恒星類天體，乃至太陽系行星與鄰近空間事件等的觀測研究，它都具有絕對的競爭力。FAST建成后將實(shí)現(xiàn)中國射電天文學(xué)從追趕到領(lǐng)先的跨越。FAST將回答的科學(xué)問題不僅是天文的，也是面對人類與自然的，它潛在的科學(xué)產(chǎn)出也許今天還難以估量。FAST的主要科學(xué)目標(biāo)為巡視宇宙中的中性氫、觀測脈沖星[6]、主導(dǎo)國際VLBI網(wǎng)低頻觀測、探測星際分子，以及搜尋可能的星際通信信號。

2 FAST工程進(jìn)展

自1993年中國天文學(xué)家提出在貴州喀斯特峰叢洼地建造LT(大射電望遠(yuǎn)鏡)陣列的建議起[2]，經(jīng)過14年的艱苦預(yù)研，F(xiàn)AST的工程概念逐漸清晰。FAST項(xiàng)目于2007年7月得到國家發(fā)展和改革委員會批復(fù)立項(xiàng)，總投資6.67億元。2009年3月，F(xiàn)AST工程初步設(shè)計得到了中國科學(xué)院和貴州省人民政府的聯(lián)合批復(fù)，工程進(jìn)入建設(shè)準(zhǔn)備階段。在完成了臺址移民搬遷、臺址詳勘、進(jìn)場公路建設(shè)及扎實(shí)的工藝系統(tǒng)試驗(yàn)研究之后，F(xiàn)AST工程開工報告于2011年3月獲得批復(fù)。自開工報告批復(fù)之日起，項(xiàng)目正式進(jìn)入工程實(shí)施階段，建設(shè)周期5.5年，將于2016年9月竣工并投入運(yùn)行。經(jīng)過4年的艱苦努力，工程團(tuán)隊(duì)克服了諸多困難與挑戰(zhàn)，使工程按計劃順利進(jìn)行。迄今，臺址開挖與邊坡治理、各類設(shè)備基礎(chǔ)、圈梁和索網(wǎng)制造及安裝、饋源支撐塔制造及安裝等工程已全部完成并通過驗(yàn)收，各工藝系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化及施工圖設(shè)計已開始制造并進(jìn)場安裝，觀測基地初步設(shè)計已完成并通過專家評審。FAST在大窩凼現(xiàn)場已現(xiàn)雛形，圖3(a)為臺址原貌圖，圖3(b)為2015年5月臺址現(xiàn)場全景圖。下面具體介紹FAST工程的主要施工進(jìn)展。

2.1 臺址開挖及邊坡治理

在前期臺址地形圖測繪、勘察及開挖施工圖設(shè)計的基礎(chǔ)上，開始了臺址開挖與邊坡治理工程，該工程主要包括清表、土石方開挖及填方、邊坡支護(hù)、道路檢修、地質(zhì)災(zāi)害治理、場地排水及排水隧道等工程單元。FAST臺址開挖與邊坡治理工程自2011年3月進(jìn)場，在各參建方的共同努力下，于2012年12月完工并通過驗(yàn)收。自2013年起，定期對臺址進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測，以保證FAST運(yùn)行環(huán)境的穩(wěn)定及安全。目前，水土保持及環(huán)境恢復(fù)工作也在逐步開展。

2.2 各類設(shè)備基礎(chǔ)

FAST設(shè)備基礎(chǔ)工程主要包括圈梁格構(gòu)柱基礎(chǔ)、地錨基礎(chǔ)、饋源支撐塔基礎(chǔ)以及索驅(qū)動基礎(chǔ)等。截至2014年8月，各類設(shè)備基礎(chǔ)已全部完成并通過驗(yàn)收。

2.3 主動反射面系統(tǒng)

主動反射面是FAST的三大創(chuàng)新之一。它工程量大、造價高，是FAST工程建設(shè)的主線。截至目前，地錨施工、圈梁制造與安裝、索網(wǎng)制造與安裝已全部完成；反射面單元設(shè)計、制造及安裝合同已簽訂；反射面吊裝設(shè)備正在廠內(nèi)制造；促動器正在進(jìn)行廠內(nèi)制造，已完成1 000余臺。

2.3.1 圈梁鋼結(jié)構(gòu)安裝

圈梁是FAST反射面索網(wǎng)的支承結(jié)構(gòu)，由承臺基礎(chǔ)、格構(gòu)柱及環(huán)梁組成。根據(jù)施工條件不同，格構(gòu)柱安裝采用履帶吊分段吊裝、汽車吊散裝及拔桿散裝三種不同的方案。環(huán)梁的安裝主要利用其上弦布置的吊裝軌道，采取地面分段拼裝，在已安裝的環(huán)梁上滑移，以及逐段推進(jìn)安裝的方案。在現(xiàn)場施工條件極其復(fù)雜惡劣的情況下，施工單位精心設(shè)計圈梁安裝方案，不斷完善起吊、滑移、安裝等工序，將圈梁鋼結(jié)構(gòu)安裝工程逐步推進(jìn)。圖4體現(xiàn)了圈梁的合攏過程。2013年12月31日，圈梁鋼結(jié)構(gòu)順利合攏，是FAST工程建設(shè)的第一個里程碑。

2.3.2 索網(wǎng)制造及安裝

索網(wǎng)是FAST反射面的支撐結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)反射面主動變位的關(guān)鍵部件。FAST索網(wǎng)是全世界跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也是世界上第一個采用變位工作方式的索網(wǎng)體系。需要攻克的技術(shù)難關(guān)貫穿索網(wǎng)的設(shè)計、制造及安裝全過程。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：超高疲勞性能鋼索結(jié)構(gòu)研制、超高精度索結(jié)構(gòu)制造工藝及超大跨度索網(wǎng)安裝方案設(shè)計等。

2010年，F(xiàn)AST工程遇到了索疲勞問題危機(jī)。傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)中使用的預(yù)應(yīng)力索的應(yīng)力幅約為200 MPa，而FAST對索應(yīng)力幅的要求高達(dá)500 MPa。為了解決這一難題，F(xiàn)AST團(tuán)隊(duì)開展了歷時一年半的索疲勞試驗(yàn)研究。與多家企業(yè)及科研單位合作，歷經(jīng)“失敗—修正—改進(jìn)”的過程，通過采用復(fù)合涂層技術(shù)及高效機(jī)械錨固工藝，使試驗(yàn)的鋼索在500 MPa應(yīng)力幅下成功通過200萬次疲勞循環(huán)，是目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的2倍左右，該高指標(biāo)在國際上尚屬首例。

在解決了索疲勞問題之后，又進(jìn)一步開展了索節(jié)點(diǎn)及索網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計。FAST索網(wǎng)結(jié)構(gòu)直徑500 m，采用短程線網(wǎng)格劃分，并采用主索之間通過節(jié)點(diǎn)斷開的間斷設(shè)計方式。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵指標(biāo)遠(yuǎn)超過國際上相關(guān)領(lǐng)域的規(guī)范要求。例如，主索索段控制精度需在1 mm以內(nèi)，主索節(jié)點(diǎn)的位置控制精度需在5 mm以內(nèi)，索構(gòu)件疲勞強(qiáng)度不得低于500 MPa。主索截面共有16種規(guī)格，截面積為2.8～13 cm2。索網(wǎng)總重量1 300余噸。由于場地條件限制，全部索結(jié)構(gòu)須在高空進(jìn)行拼裝。

2013年，F(xiàn)AST鋼索結(jié)構(gòu)設(shè)計通過評審，確定了施工方案。歷時近3年的FAST高性能鋼索研制成果正式投入生產(chǎn)。2014年7月，開始進(jìn)行主索安裝。歷經(jīng)半年的艱苦努力，最后一根主索于2015年2月4日成功安裝，索網(wǎng)順利合攏。圖5(a)為索網(wǎng)局部的照片，圖5(b)為索網(wǎng)合攏的照片。FAST索網(wǎng)制造與安裝工程的圓滿完成，是FAST工程的又一個里程碑。

圖5 (a)索網(wǎng)局部；(b)索網(wǎng)合攏

2.3.3 反射面單元設(shè)計、制造及吊裝

反射面是FAST工程主體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，由4 450塊空間鋁合金網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的反射面單元組成，面積約25萬m2。反射面精度要求高，工程量大且工期緊，是FAST工程的主線。2010年起，開始對反射面單元背架進(jìn)行試驗(yàn)研究，從多種背架結(jié)構(gòu)中優(yōu)選出鋁背架作為FAST反射面單元。2011年，對全鋁不等邊反射面單元在大窩凼現(xiàn)場進(jìn)行了耐環(huán)境和風(fēng)載荷等性能試驗(yàn)(圖6)。2012年，通過了反射面單元優(yōu)化設(shè)計，提出采用鋁合金網(wǎng)架作為背架單元的方案。2015年2月，簽訂反射面單元設(shè)計與制造施工合同，標(biāo)志著FAST工程主體進(jìn)入攻堅(jiān)階段。

2011年起，開始反射面單元吊裝方案研究。通過與多家企業(yè)交流研討，解決了施工人員工作面及吊具形式等主要技術(shù)問題，并于2012年8月完成了FAST反射面單元吊裝方案設(shè)計及吊拼裝場地規(guī)劃設(shè)計。2013年11月簽訂了反射面單元吊裝工程合同。2014年5月，吊裝方案通過評審，反射面單元吊裝設(shè)備設(shè)計及制造啟動。截至目前，相關(guān)設(shè)備均已采購到位，并進(jìn)行了吊裝設(shè)備及整個安裝工藝的廠內(nèi)模擬試車。2015年 6月，開始進(jìn)行反射面單元組裝及吊裝，計劃于2016年4月全部完成。

圖6 反射面單元樣機(jī)加載試驗(yàn)

2.3.4 促動器設(shè)計及制造

在反射面索網(wǎng)下方的洼地里裝有2 225臺促動器，用于通過下拉索驅(qū)動索節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)反射面主動變形。鑒于促動器數(shù)量較大，設(shè)計中充分考慮了其可靠性及效率、便于維護(hù)及避免干擾等因素。在前期研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量試驗(yàn)比較及技術(shù)咨詢，于2013年3月選定液壓式促動器作為FAST主動反射面促動器研制的重點(diǎn)。隨后與多家企業(yè)簽訂了生產(chǎn)小批量試驗(yàn)樣機(jī)的合同，4家企業(yè)共12臺液壓促動器樣機(jī)在密云站、大窩凼現(xiàn)場及生產(chǎn)廠家的多個試驗(yàn)臺上進(jìn)行了加速及耐久性試驗(yàn)。2014年8月，選定了一家企業(yè)最終簽訂了促動器研制合同。首批100臺液壓促動器于2015年3月出廠(圖7)，后續(xù)批次促動器的裝配及出廠檢測工作隨即展開。截至2015年4月，已組裝并檢驗(yàn)合格成品促動器1 080臺，預(yù)計2015年6月全部促動器將在大窩凼現(xiàn)場完成安裝。

圖7 促動器準(zhǔn)備出廠

2.3.5 反射面健康檢測系統(tǒng)

2014年3月，簽訂了主動反射面健康監(jiān)測系統(tǒng)合同。合同主要包括主動反射面健康監(jiān)測系統(tǒng)的深化設(shè)計、系統(tǒng)安裝和調(diào)試以及監(jiān)測服務(wù)等。將在圈梁及格構(gòu)柱上布設(shè)100個健康監(jiān)測測點(diǎn)和40個施工過程監(jiān)測測點(diǎn)，可為索網(wǎng)安裝施工和反射面單元吊裝施工提供圈梁實(shí)時受力狀態(tài)監(jiān)測。索網(wǎng)上布設(shè)416個索力監(jiān)測測點(diǎn)，可為索安裝施工、索網(wǎng)調(diào)試和后期主動反射面系統(tǒng)的運(yùn)行提供狀態(tài)監(jiān)測和安全保障。2014年5月，健康監(jiān)測系統(tǒng)深化設(shè)計通過評審，系統(tǒng)進(jìn)入安裝階段。

2.4 饋源支撐系統(tǒng)

采用輕型支撐索拖動并聯(lián)機(jī)器人以實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的高精度指向跟蹤，是FAST具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三大創(chuàng)新技術(shù)之一。截至目前，該系統(tǒng)已完成饋源支撐塔制造及安裝；索驅(qū)動設(shè)計及制造完成，并在現(xiàn)場完成了三根索的安裝；完成了饋源艙設(shè)計，并在現(xiàn)場艙?？科脚_上安裝了代艙，準(zhǔn)備用于FAST前期調(diào)試及試驗(yàn)。

2.4.1 饋源支撐塔制造及安裝

饋源支撐塔是FAST饋源支撐系統(tǒng)的主體承載結(jié)構(gòu)。它不僅是索驅(qū)動的依托支架，同時也為塔頂導(dǎo)向滑輪提供足夠剛性的支撐平臺，以保證驅(qū)動鋼索能夠牽引饋源艙在預(yù)定軌跡上運(yùn)動。FAST饋源支撐塔包含6座百余米高的鋼管塔，按時鐘位置分別命名為1h、3h、5h、7h、9h和11h，其中最高的11 h達(dá)175 m。6塔成軸對稱排列，且均勻分布在直徑600 m的圓周上。塔上設(shè)置旋轉(zhuǎn)爬梯和鐵塔攀爬機(jī)，方便工作人員登塔。

2012年12月，完成了饋源支撐塔施工圖設(shè)計并通過驗(yàn)收。6塔塔體均為空間桁架結(jié)構(gòu)，塔材采用螺栓連接和熱浸鍍鋅防腐。為適應(yīng)山地地勢塔腿部分采用了長短腿設(shè)計。塔頂設(shè)備層上安裝索驅(qū)動導(dǎo)向滑輪和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以承載望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行時產(chǎn)生的數(shù)十噸量級往復(fù)循環(huán)變化的鋼索拉力。6塔的最小固有頻率超過1 Hz，以保證有足夠的剛度實(shí)現(xiàn)柔性艙-索系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和饋源定位。

2013年7月，饋源支撐塔開始在工廠內(nèi)進(jìn)行制造。在各參建方的共同努力下，克服了塔安裝現(xiàn)場作業(yè)面狹窄等困難，F(xiàn)AST饋源支撐塔制造及安裝工程于2014年11月30日完工并通過驗(yàn)收。圖8為現(xiàn)場拍攝的安裝完成的饋源支撐塔照片。

圖8 饋源支撐塔安裝完成

2.4.2 索驅(qū)動設(shè)計及安裝

FAST索驅(qū)動系統(tǒng)由塔底驅(qū)動機(jī)構(gòu)、塔頂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、纜索裝置、控制系統(tǒng)和機(jī)房、配電房等設(shè)施構(gòu)成。2012年1月，完成了塔-索聯(lián)合設(shè)計以及索驅(qū)動方案優(yōu)化設(shè)計，同時開展了FAST專用光纜的研制及機(jī)械性能試驗(yàn)。2013年6月，光纜模擬工況試驗(yàn)合同通過驗(yàn)收，標(biāo)志著歷時近4年的動態(tài)耐長期彎曲光纜研發(fā)取得突破。2012年7月，簽訂饋源支撐系統(tǒng)索驅(qū)動設(shè)計、制造及安裝施工總承包合同。截至目前，已完成索驅(qū)動所有設(shè)備的采購及制造，完成6座機(jī)房及設(shè)備的安裝，完成4根支撐索的安裝。

支撐索安裝的主要技術(shù)難點(diǎn)在于：鋼絲繩安裝跨度大，高差達(dá)277 m，單根鋼絲繩長度超過600 m；鋼絲繩重量高，單根重量高達(dá)6 t；電光纜安裝復(fù)雜，6根鋼絲繩下方各懸掛一根直徑26 mm的電纜，其中3根鋼絲繩下方還需各懸掛一根直徑12 mm的48芯光纜，電纜和光纜的懸掛采用獨(dú)特的窗簾式纜線入艙機(jī)構(gòu)，每根鋼絲繩上需安裝4類共86套滑車。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終采用粗、細(xì)兩套工藝?yán)K，通過細(xì)繩牽引粗繩，粗繩牽引鋼絲繩的方案。歷經(jīng)兩次鋼絲繩退扭，逐步將直徑46 mm的鋼絲繩由大窩凼的底部經(jīng)過塔頂?shù)膶?dǎo)向裝置拉至機(jī)房卷筒上封固。在牽引鋼絲繩的同時，將滑車和電光纜隨鋼絲繩安裝到位。2015年2月10日，F(xiàn)AST索驅(qū)動第一根支撐索(5h)安裝成功(圖9)。6根鋼索將于2015年5月底全部安裝完成，F(xiàn)AST索驅(qū)動系統(tǒng)將成為世界上最大的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

圖9 索驅(qū)動第一根支撐索成功安裝俯視圖

2014年12月，1h機(jī)房直徑2.4 m、重13.5 t的鋼索驅(qū)動卷筒(圖10(a))和重達(dá)13 t的減速機(jī)(圖10(b))這兩件大設(shè)備通過軌道安全托運(yùn)至機(jī)房平臺。1h機(jī)房位于距離環(huán)形道路高差約30 m的山坡平臺上，受地形及空間限制，無法使用大型吊車，故沿山坡建造了專門的拖運(yùn)軌道來完成大件設(shè)備的提升搬運(yùn)工作。由于軌道下方無山體遮擋，一旦拖運(yùn)過程中失控造成大件設(shè)備滑落，將會對軌道下方洼地內(nèi)已完成及在建的設(shè)施帶來毀滅性的破壞。因此，1h機(jī)房大件設(shè)備軌道拖運(yùn)風(fēng)險高、難度大，它是FAST索驅(qū)動設(shè)備安裝的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)過多方論證，最終確定了拖運(yùn)方案：拖運(yùn)驅(qū)動采用8 t卷揚(yáng)機(jī)，鋼絲繩選用10.3倍的安全系數(shù)；軌道兩側(cè)各有一臺3 t的絞磨驅(qū)動鋼絲繩隨行保護(hù)；在軌道上部拐點(diǎn)處，再附加2套10 t手拉葫蘆拖拽小車的后部下方，防止設(shè)備發(fā)生傾覆。多重的防護(hù)措施，確保了拖運(yùn)萬無一失。

2.4.3 饋源艙及艙停靠平臺的設(shè)計與制造

饋源艙是FAST饋源支撐系統(tǒng)的核心部件，主要承載饋源及接收機(jī)設(shè)備。它包括星型框架、AB軸機(jī)構(gòu)、Stewart平臺、艙罩及其他附屬設(shè)備。饋源艙直徑約13 m、高6 m、重約30 t，它將在反射面上方約200 m口徑空中球冠表面運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)饋源接收機(jī)的精確定位。

2012年3月完成了FAST饋源艙方案優(yōu)化設(shè)計，確定了艙的基本結(jié)構(gòu)。通過艙索聯(lián)合仿真，基于現(xiàn)有的測量方法與精度指標(biāo)，通過PID控制Stewart平臺使饋源定位精度達(dá)到RMS 10 mm。2012年11月，簽訂了FAST饋源艙設(shè)計、制造、安裝與調(diào)試總承包合同。2014年5月，完成了饋源艙詳細(xì)設(shè)計并通過專家評審。設(shè)計主要包括饋源艙機(jī)械、電氣及安裝維護(hù)部分的詳細(xì)設(shè)計、艙索聯(lián)合仿真分析、饋源艙控制策略分析、饋源艙的電磁干擾 (EMC) 和防雷實(shí)施方案設(shè)計等。2014年11月，初步確定了饋源安放分組方案。

2015年1月，在大窩凼現(xiàn)場安裝了饋源艙的代艙，如圖11所示。代艙重30 t，錨固頭支座安裝孔直徑為13 m，該兩項(xiàng)指標(biāo)均與饋源艙詳細(xì)設(shè)計結(jié)果一致。代艙作為饋源艙的代替艙，主要用于FAST前期調(diào)試及試驗(yàn)，包括輔助支撐塔和索驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)試、艙索系統(tǒng)阻尼的測量、測量與控制系統(tǒng)試驗(yàn)、電力和信號傳輸測試等。目前，饋源艙的正艙正在廠內(nèi)制造。

圖10 (a)卷筒托運(yùn)； (b)減速機(jī)托運(yùn)

圖11 艙停靠平臺及代艙

艙?？科脚_是饋源艙建造組裝、入港停靠、維護(hù)檢測及支撐索系安裝和更換等的工藝平臺。它建在反射面中心底部的FAST開挖中心處，反射面在該處留有內(nèi)切圓直徑為16.8 m的正五邊形孔，以便艙?？科脚_的建造。艙?？科脚_已在大窩凼現(xiàn)場安裝完成。平臺直徑約20 m，最大承重300 kN。

2.5 測量與控制系統(tǒng)

FAST主要結(jié)構(gòu)在觀測時幾乎都在運(yùn)動：反射面實(shí)時變形，與反射面間無剛性連接的饋源艙的高精度運(yùn)動等。因此，遠(yuǎn)距離、高采樣率、高精度的測量與控制是FAST成功進(jìn)行天文觀測的保證。截至目前，已完成測量基墩建造并使用其進(jìn)行了基礎(chǔ)測量；完成了單元面板測量方案，做好了對即將出廠的單元面板測量的準(zhǔn)備；主反射面測控及饋源位姿測控方案均已確定，正在進(jìn)行系統(tǒng)研制，計劃于2015年底完成；已完成總控系統(tǒng)方案，正在進(jìn)行系統(tǒng)研制及設(shè)備采購，計劃于2015年底進(jìn)行總控系統(tǒng)整體功能調(diào)試。

2.5.1 測量基墩建造及基礎(chǔ)測量

測量基墩是FAST測量與控制系統(tǒng)的主體建筑。24個伸出反射面的基墩均勻分布在大窩凼洼地內(nèi)，為高精度測量儀器提供穩(wěn)定可靠的平臺。測量基墩采用芯柱+外筒的雙層設(shè)計。外筒將風(fēng)力、溫變、操作人員重量等影響芯柱穩(wěn)定性的不利因素隔絕在外，為芯柱及其上面的測量儀器提供一個無干擾的環(huán)境，從而保證測量的精度。測量基墩已于2014年10月全部建成，并使用其進(jìn)行了施工控制網(wǎng)及安裝控制網(wǎng)測量，該兩項(xiàng)測量均達(dá)到要求。2014年11月，運(yùn)行控制網(wǎng)測量方案通過驗(yàn)收，目前正在進(jìn)行測量。

2.5.2 主動反射面測控

主動反射面測量包括單元面板測量、節(jié)點(diǎn)靜態(tài)測量及節(jié)點(diǎn)動態(tài)測量。目前，已完成了單元面板測量方案設(shè)計，并將其納入單元面板制造合同，在合同執(zhí)行過程中將對面板進(jìn)行測量及抽檢。節(jié)點(diǎn)靜態(tài)測量將采用全站儀方案實(shí)現(xiàn)10 min內(nèi)完成有效照明口徑300 m內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)測量且精度達(dá)到RMS 2 mm，現(xiàn)已完成靶標(biāo)制造及安裝。節(jié)點(diǎn)動態(tài)測量樣機(jī)已研制完成，能在1.5 h內(nèi)完成500 m口徑內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)測量，且精度達(dá)到RMS 1.5 mm。目前，正在進(jìn)行測量設(shè)備布設(shè)及靶標(biāo)混淆分析。

主動反射面控制的主要任務(wù)包括反射面控制系統(tǒng)研發(fā)及綜合布線。2013年，啟動了反射面控制系統(tǒng)方案設(shè)計及系統(tǒng)集成工作。2014年8月，簽訂了主反射面控制系統(tǒng)合同，2015年4月，完成了出廠驗(yàn)收。

綜合布線猶如望遠(yuǎn)鏡的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是所有指令信號、數(shù)據(jù)傳輸及動力傳輸?shù)耐ǖ?。綜合布線包括高低壓配電、測控網(wǎng)絡(luò)和安防工程。主要涉及觀測樓、變電站、中繼室、促動器、饋源支撐塔及測量基墩的動力和通信線纜鋪設(shè)，洼地內(nèi)路燈、語音通信及安防等工作。綜合布線于2014年4月正式開工，計劃于2015年10月完成。

2.5.3 饋源支撐測控

饋源支撐測控主要是對饋源位姿、索支撐、AB軸和Stewart平臺在反射面上方200 m口徑空中球冠表面運(yùn)動范圍內(nèi)進(jìn)行高精度測量和控制。

饋源位姿測量主要包括一次支撐測量和精調(diào)平臺測量。測量精度為RMS 5 mm，采樣率需達(dá)到10 Hz。目前，已確定了饋源位姿測量方案及靶標(biāo)類型，正在進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)備采購。

2012年，完成FAST饋源支撐控制方法優(yōu)化與仿真。2013年，完成饋源位姿控制任務(wù)書。2014年10月，簽訂了饋源支撐整體控制研發(fā)合同。目前合同進(jìn)展順利，正在進(jìn)行系統(tǒng)集成。

2.5.4 望遠(yuǎn)鏡總控系統(tǒng)

望遠(yuǎn)鏡總控系統(tǒng)猶如電腦的CPU，它控制望遠(yuǎn)鏡各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作以完成天文觀測任務(wù)?？偪叵到y(tǒng)主要涉及用戶管理及界面設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)通信與時間同步，以及數(shù)據(jù)交換與存儲等任務(wù)。2011年，完成了望遠(yuǎn)鏡總控系統(tǒng)框架設(shè)計；2012年11月，完成FAST總控構(gòu)架設(shè)計及模型試驗(yàn)；2013年，完成FAST總控任務(wù)書。2014年12月，簽訂了總控系統(tǒng)研發(fā)合同。目前已完成需求分析，正在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，并計劃于2015年底在現(xiàn)場完成設(shè)備安裝并進(jìn)行整體功能調(diào)試。2016年5月，F(xiàn)AST將開始進(jìn)行整體聯(lián)調(diào)。

表2 FAST接收機(jī)技術(shù)性能設(shè)計指標(biāo)

2.6 接收機(jī)與終端系統(tǒng)

接收機(jī)與終端系統(tǒng)是望遠(yuǎn)鏡的重要組成部分。FAST接收機(jī)與終端系統(tǒng)的主要任務(wù)是研制頻率覆蓋70 MHz～3 GHz的7套接收機(jī)低噪音前端、光纖傳輸及數(shù)據(jù)處理終端等。低噪音前端的主要技術(shù)性能及設(shè)計指標(biāo)如表2所示。7套低噪音前端饋源將安裝在Stewart下平臺，以達(dá)到望遠(yuǎn)鏡觀測所需的位置精度。低于約500 MHz的頻段，使用常溫饋源和低噪音放大器；高于500 MHz的頻段，使用制冷低噪音前端，通過對極化器和低噪音放大器制冷以降低前端噪聲溫度。射頻信號經(jīng)由模擬光纖傳輸?shù)降孛嬗^測室后，采用數(shù)字終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

表2中的序號1、2采用寬帶加背腔陣子饋源和常溫低噪音放大器。序號3 的頻率覆蓋約6∶1，該接收機(jī)將與美國加州理工大學(xué)合作完成研制。采用常溫饋源和制冷低噪音放大器，L波段系統(tǒng)溫度約為35 K。將用于河外脈沖星搜索、極亮紅外星系羥基超脈澤搜索以及獵戶座中低頻譜線探測等觀測研究。序號4將采用常溫波紋喇叭饋源和制冷交叉陣子極化器饋電，使用制冷低噪音放大器。序號5和7將采用常溫波紋喇叭饋源，極化器和低噪音放大器放置在制冷杜瓦中進(jìn)行制冷。序號6為19波束多喇叭饋源陣列，將與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)合作研制。

數(shù)字終端擬采用美國加州大學(xué)Berkeley分校研發(fā)的CASPER軟硬件作為平臺。目前已完成了脈沖星搜索、相干消色散和譜線終端的原型機(jī)研制，正在進(jìn)行VLBI數(shù)據(jù)記錄終端和基帶記錄系統(tǒng)的研制。

2.7 觀測基地建設(shè)系統(tǒng)

觀測基地建設(shè)系統(tǒng)主要包括工程用地征地、進(jìn)場道路建設(shè)、辦公和配套用房建設(shè)，以及供電、供水設(shè)施建設(shè)等。

FAST臺址進(jìn)場道路一期工程于2010年3月開始施工，2011年7月全線通車，全長約7 km。

2011年，完成了觀測基地1:200地形圖測繪，觀測基地規(guī)劃設(shè)計工作正式開始。2013年4月，規(guī)劃方案通過專家評審；2014年8月，初步設(shè)計通過專家評審。 2015年5月完成了基地巖土工程詳細(xì)勘察，目前準(zhǔn)備啟動觀測基地建設(shè)工程招標(biāo)。

3 FAST早期科學(xué)準(zhǔn)備

FAST結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性與復(fù)雜性對其科學(xué)運(yùn)行特別是早期試運(yùn)行階段提出了挑戰(zhàn)。經(jīng)過近幾年的科研探索，目前基本明確了FAST早期的三個研究方向：中性氫宇宙學(xué)和星系演化；脈沖星理論和觀測；星際介質(zhì)演化與恒星形成。計劃在FAST早期運(yùn)行階段集中完成幾個科學(xué)課題，爭取在望遠(yuǎn)鏡的總體性能及運(yùn)行精度完全達(dá)標(biāo)之前，利用FAST的高靈敏度取得突破性發(fā)現(xiàn)。具體的科學(xué)課題包括近鄰星系脈沖星搜索、極亮紅外星系羥基超脈澤搜索以及獵戶座低頻譜線探測[7]。

FAST運(yùn)行期間將面臨海量觀測數(shù)據(jù)存儲及處理的需求，科學(xué)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)已迫在眉睫。數(shù)據(jù)中心服務(wù)于FAST科學(xué)觀測，是保證FAST科學(xué)產(chǎn)出的關(guān)鍵設(shè)施之一。目前正在推進(jìn)FAST早期科學(xué)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)存儲與處理集群建設(shè)，計劃于2015年底建成。今后，早期科學(xué)數(shù)據(jù)中心將進(jìn)一步擴(kuò)展為FAST科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

FAST成功運(yùn)行離不開一套穩(wěn)定且高效的觀測模式規(guī)劃及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。我們征集了潛在科學(xué)用戶的研究課題，明確了FAST的觀測模式。在調(diào)研國際上大射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，完成了FAST科學(xué)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計，正在進(jìn)行軟件開發(fā)。

為了推進(jìn)早期科學(xué)開展，于2012年成功申請了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項(xiàng)目“射電波段的前沿天體物理課題及FAST早期科學(xué)研究”。該項(xiàng)目以脈沖星、射電譜線及脈澤、星際介質(zhì)和低頻多波束接收機(jī)為研究重點(diǎn)，旨在進(jìn)一步凝練和優(yōu)化早期科學(xué)目標(biāo)并及時提出對儀器設(shè)備的需求，為FAST早期科學(xué)及常規(guī)運(yùn)行做技術(shù)及人才儲備[8]。項(xiàng)目實(shí)施三年來，取得了一系列具有創(chuàng)新性的重要成果，這些成果將有助于FAST早期科學(xué)目標(biāo)的分析和確定，對FAST的建造、運(yùn)行及觀測研究的開展有重要推動作用。正在培養(yǎng)一批面向FAST科學(xué)和技術(shù)的研究生，并為中國射電天文人才的梯隊(duì)化培養(yǎng)及儲備打下基礎(chǔ)。同時，吸引了數(shù)名海內(nèi)外射電天文領(lǐng)域的高層次人才加入到研究隊(duì)伍中，為推動科研創(chuàng)新和人才隊(duì)伍建設(shè)提供有力支持[9]。

4 FAST工程展望

2015年，F(xiàn)AST工程已進(jìn)入施工關(guān)鍵階段。索網(wǎng)的合攏與調(diào)試、索驅(qū)動聯(lián)調(diào)、反射面吊裝、測控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、接收機(jī)研制、觀測基地建設(shè)等都將在本年度完成。在這一關(guān)鍵時期，將繼續(xù)加強(qiáng)工程現(xiàn)場的協(xié)調(diào)管理，確保各項(xiàng)工程在保安全、保質(zhì)量的前提下按期完成。

FAST建設(shè)初期已取得的關(guān)鍵技術(shù)成果可應(yīng)用于諸多相關(guān)領(lǐng)域，如大尺度結(jié)構(gòu)工程、公里范圍高精度動態(tài)測量、大型工業(yè)機(jī)器人研制以及多波束雷達(dá)裝置等。FAST攻克了超大跨度、超高精度、主動變位工作模式索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，通過對超高疲勞性能鋼索結(jié)構(gòu)的研制實(shí)現(xiàn)了特種索材料的突破。這對中國甚至世界范圍內(nèi)的索結(jié)構(gòu)工程技術(shù)都起到巨大的提升作用。FAST解決了動光纜的反復(fù)彎曲、扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動工況的疲勞壽命及光纜運(yùn)動狀態(tài)下的信號附加衰減的問題。FAST還制造了許多適應(yīng)復(fù)雜施工條件和大跨度安裝困難的工藝設(shè)備。在此過程中，形成了許多具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，提升了中國許多企業(yè)的生產(chǎn)、制造及安裝水平。FAST的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)將對中國制造技術(shù)向信息化、極限化和綠色化的方向發(fā)展產(chǎn)生影響，已經(jīng)并將繼續(xù)為中國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和重大需求領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。

有了FAST，邊遠(yuǎn)閉塞的黔南喀斯特山區(qū)將變成世人矚目的國際天文學(xué)術(shù)中心，F(xiàn)AST成為把貴州展現(xiàn)給世界的新窗口。以FAST為主體的天文科普基地建設(shè)將推進(jìn)中國西部，甚至全國的科普工作，教育青少年，向公眾與決策層宣傳，為科教興國的長遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)服務(wù)。

2016年9月，世人矚目的FAST將呈現(xiàn)在全世界的面前，相信FAST的建成將帶來諸多驚喜，為我們的國家?guī)砀鄻s耀。

致謝 筆者回顧了FAST工程團(tuán)隊(duì)多年來的努力工作以及項(xiàng)目取得的主要進(jìn)展，成文過程中參考了大量建設(shè)及管理的相關(guān)文檔。作者除對他們的艱苦努力表示感謝之外，也因不能全部概括和引用他們開拓性的成果表示歉意。

(2015年5月14日收稿)

[1] NAN R D. Five hundred meter aperture spherical radio telescope (FAST) [J]. Sci China Ser G-Phys Mech Astron, 2006, 49(2): 129-148.

[2] 南仁東, 吳盛殷, 馬駬, 等. 大射電望遠(yuǎn)鏡(LT)國際合作計劃建議書[R]. 北京: 中國科學(xué)院北京天文臺, 1994.

[3] 嚴(yán)俊, 南仁東, 王宜, 等. 500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)項(xiàng)目建議書[R]. 北京: 中國科學(xué)院國家天文臺，2006.

[4] NAN R D, REN G X, ZHU W B, et al. Adaptive cable-mesh reflector for the FAST [J]. Acta Astron Sin, 2003, 44: 13-18.

[5] LI H, NAN R D, K?RCHER H J, et al. Working space analysis and optimization of the main positioning system of FAST cabin suspension [J]. SPIE, 2008, 7012: 70120T.

[6] SMITS R, LORIMER D R, KRAMER M, et al. Pulsar science with the five hundred metre Aperture Spherical Telescope [J]. Astron Astrophys, 2009, 505: 919-926.

[7] NAN R D, LI D, JIN C J, et al. The five-hundred-meter aperture spherical radio telescope(FAST) project [J]. Int J Mod Phys D, 2011, 20(6): 989-1024.

[8] 李菂, 徐仁新, 朱明, 等. 973項(xiàng)目: 射電波段的前沿天體物理課題及FAST早期科學(xué)研究項(xiàng)目計劃任務(wù)書[R]. 北京: 中國科學(xué)院國家天文臺, 2011.

[9] 李菂, 徐仁新, 朱明, 等. 973項(xiàng)目: 射電波段的前沿天體物理課題及FAST早期科學(xué)研究項(xiàng)目中期總結(jié)報告[R]. 北京: 中國科學(xué)院國家天文臺, 2013.

Progress and outlook of FAST

LI Huixian①②, NAN Rendong①②
①National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China; ②Key Laboratory for Radio Astronomy, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China

Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) is a Chinese mega-science project to build the largest single dish radio telescope in the world. FAST will enable astronomers to jump-start many science goals, for example, surveying the neutral hydrogen in the Milky Way and other galaxies, detecting faint pulsars, hearing the possible signals from other civilizations, etc. The construction content and scientific objectives of FAST are overviewed as well as the latest progress and prospects.

radio astronomy, single-dish radio telescope, FAST

(編輯：溫 文)

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.06.005

?通信作者，E-mail：nrd@bao.ac.cn