500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程

500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程是“十一五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，建成后將是世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡坐落于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼洼地，利用天然喀斯特洼地作為望遠(yuǎn)鏡臺址以實(shí)現(xiàn)大天區(qū)面積、高精度的天文觀測。

可見光和射電信號都是以光速傳播的電磁波，區(qū)別只在波長。人類長期以來只能通過電磁波的可見光波段來觀測宇宙，而實(shí)際天體的輻射覆蓋了整個(gè)電磁波段。1933年，央斯基（Karl Jansky）意外發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心的電磁輻射，由此開啟了天文學(xué)的新篇章——射電天文學(xué)。這一新興學(xué)科貢獻(xiàn)了20世紀(jì)四大天文發(fā)現(xiàn)：類星體、脈沖星、星際分子和宇宙背景輻射，共產(chǎn)生了5項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)，成為天文學(xué)重大發(fā)現(xiàn)的搖籃。與通信用微波天線相似，射電望遠(yuǎn)鏡通常由三個(gè)主要部分構(gòu)成：匯聚電磁波的反射面、收集信號的接收機(jī)以及指向裝置。天體輻射的射電波段電磁波極其微弱，70年來所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量，還翻不動(dòng)一頁書。閱讀宇宙邊緣的信息需要大口徑望遠(yuǎn)鏡，但由于自重和風(fēng)載引起的形變，傳統(tǒng)全可動(dòng)望遠(yuǎn)鏡（fully steerable radio telescope）的最大口徑只能做到100米。

FAST工程概念的提出

1993年，于日本京都舉行的國際無線電科學(xué)聯(lián)盟（International Union of Radio Science，URSI）大會(huì)上，包括中國在內(nèi)的10國射電天文學(xué)家聯(lián)合發(fā)起了建設(shè)新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”（Large Telescope，LT）的倡議，1999年易名為“平方公里陣列”（Square Kilometre Array，SKA），即接收面積為1平方公里的巨型射電望遠(yuǎn)鏡。它的靈敏度將比目前世界上最大的望遠(yuǎn)鏡高2個(gè)數(shù)量級，將由17個(gè)國家合作建設(shè)，總投資約10億美元，計(jì)劃建設(shè)10年，2020年左右建成后至少能運(yùn)行50年，因此又被稱為“21世紀(jì)的國際射電望遠(yuǎn)鏡”。

1995年底，以北京天文臺（中國科學(xué)院國家天文臺前身）為主，聯(lián)合國內(nèi)20多家大學(xué)和研究所成立了LT中國推進(jìn)委員會(huì)，提出了利用中國貴州喀斯特（karst）洼地，建造球反射面型即阿雷西沃（Arecibo）型天線陣的KARST工程概念。此天線陣由30多面口徑約300米的球面天線組成，它將分布于方圓數(shù)百公里的范圍內(nèi)，具有1角分至100毫角秒的多級分辨率，將從本質(zhì)上改善展源的射電天文成像能力。中國科學(xué)家為進(jìn)一步推進(jìn)KARST概念，提出獨(dú)立研制一臺新型的KARST單元——500米口徑的主動(dòng)球反射面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope），即FAST。FAST工程由此而來。中國科學(xué)院為該工程的建設(shè)主管部門，中國科學(xué)院國家天文臺為建設(shè)法人單位，貴州省人民政府為共建部門。

FAST的創(chuàng)新與突破

對單天線射電望遠(yuǎn)鏡來說，天線的直徑越大，分辨率越高，更有利于暗弱天體的觀測。FAST的技術(shù)設(shè)計(jì)方案集成了目前幾乎所有可能的先進(jìn)技術(shù)思想，提出了創(chuàng)新性的主動(dòng)反射面及光機(jī)電一體化饋源支撐方案。

和同類大口徑射電望遠(yuǎn)鏡相比，F(xiàn)AST的獨(dú)到之處在于：利用貴州省境內(nèi)喀斯特地貌中的天然洼坑作為臺址；洼坑內(nèi)鋪設(shè)數(shù)千塊單元，構(gòu)成500米球冠狀主動(dòng)反射面，球冠反射面在射電電源方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面，使望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)處于焦點(diǎn)上；采用輕型索拖動(dòng)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的高精度定位。

全新的設(shè)計(jì)思路以及得天獨(dú)厚的臺址優(yōu)勢使FAST突破了傳統(tǒng)射電望遠(yuǎn)鏡的百米極限，開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式。它將擁有30個(gè)足球場大的接收面積，成為國際上最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡。

科學(xué)目標(biāo)與應(yīng)用目標(biāo)

作為一個(gè)多學(xué)科基礎(chǔ)研究平臺，F(xiàn)AST將為宇宙大尺度物理學(xué)、物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和規(guī)律等眾多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域提供發(fā)展和突破的機(jī)遇，也將在日地環(huán)境研究、國防建設(shè)和國家安全等方面發(fā)揮不可替代的作用。其項(xiàng)目建設(shè)本身，也將推動(dòng)眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展，促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。

作為新一代世界最大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST可獨(dú)立地、在可預(yù)見的五個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)科學(xué)與技術(shù)的重大突破。

巡視宇宙中的中性氫觀測不同宇宙距離的中性氫譜線，將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣，英國天文學(xué)家威爾金森說“寧宙的百科全書是用微弱的21厘米氫譜線寫成的，要閱讀它需要非常靈敏的望遠(yuǎn)鏡”。通過中性氫譜線，有望在暗物質(zhì)小尺度分布、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與暗能量、星系形成與演化等方面取得進(jìn)展。

觀測脈沖星FAST用一年時(shí)間能發(fā)現(xiàn)數(shù)顆脈沖犀，為研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律提供機(jī)遇。通過精確測定脈沖星到達(dá)時(shí)間，還可以進(jìn)行引力波檢測。

獲得天體超精細(xì)結(jié)構(gòu)作為地面及空間甚長基線干涉測量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）的一個(gè)巨大單元，F(xiàn)AST將開展對河外天體、恒星行星系統(tǒng)的測量和研究，將觀測推進(jìn)到新水平，獲得天體超精細(xì)結(jié)構(gòu)。

探測星際分子FAST設(shè)計(jì)工作帶寬內(nèi)包含羥基、甲醇等12種分子譜線。利用FAST的高靈敏度，可以搜尋銀河系中的長鏈碳分子，也可對超強(qiáng)紅外星系、高紅移星系、活動(dòng)星系和類星體進(jìn)行羥基、甲醇分子超脈澤的廣泛搜尋。

尋找地外文明搜尋、識別可能的星際信號，以前所未有的高效率開展對地外文明的搜索。

工程建設(shè)

FAST工程的建設(shè)內(nèi)容，即在貴州喀斯特洼地內(nèi)鋪設(shè)口徑為500米的球冠形主動(dòng)反射面，通過主動(dòng)控制在觀測方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面；采用光機(jī)電一體化的索支撐輕型饋源平臺，加之饋源艙內(nèi)的二次調(diào)整裝置，在饋源與反射面之間無剛性連接的情況下，實(shí)現(xiàn)高精度的指向跟蹤；在饋源艙內(nèi)配置覆蓋頻率70～3000兆赫的多波段、多波束饋源和接收機(jī)系統(tǒng)；針對FAST科學(xué)目標(biāo)發(fā)展不同用途的終端設(shè)備；建造一流的天文觀測站。

為實(shí)現(xiàn)這一建設(shè)目標(biāo)，有六大工程系統(tǒng)需要建設(shè)：（1）臺址勘察與開挖系統(tǒng)；（2）主動(dòng)反射面系統(tǒng)；（3）饋源支撐系統(tǒng)；（4）測量與控制系統(tǒng)；（5）饋源與接收機(jī)系統(tǒng)；（6）觀測基地。

2009年3月，F(xiàn)AST工程初步設(shè)計(jì)得到了中國科學(xué)院和貴州省人民政府的聯(lián)合批復(fù)，F(xiàn)AST工程進(jìn)入建設(shè)準(zhǔn)備階段。

FAST于2011年3月25日在大窩凼正式開工建設(shè)，各系統(tǒng)陸續(xù)進(jìn)入實(shí)施階段。

臺址開挖工程

臺址開挖工程的基本建設(shè)目標(biāo)是為望遠(yuǎn)鏡各系統(tǒng)的安裝創(chuàng)造基本的現(xiàn)場條件，同時(shí)為望遠(yuǎn)鏡建成后的運(yùn)行維護(hù)提供安全、穩(wěn)定的外在自然環(huán)境和基本設(shè)施條件。在參建各方的共同努力下，2012年12月，歷時(shí)近兩年的FAST臺址開挖與邊坡治理工程通過驗(yàn)收。

設(shè)備基礎(chǔ)工程

設(shè)備基礎(chǔ)工程包括反射面圈梁基礎(chǔ)、反射面地錨基礎(chǔ)、饋源塔基礎(chǔ)以及索驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)等工程。其中，圈梁基礎(chǔ)工程于2012年11月開始施工，2013年10月竣工，2013年11月30日通過驗(yàn)收。

反射面地錨工程于2012年11月開工，2014年5月完成全部工作，2014年7月23日通過驗(yàn)收。地錨是促動(dòng)器的基礎(chǔ)，也是望遠(yuǎn)鏡反射面實(shí)現(xiàn)變位工作的基準(zhǔn)。反射面地錨工程共包括錨墩2225個(gè)。

FAST饋源塔基礎(chǔ)工程從2012年10月開始，2013年11月29日完成驗(yàn)收。饋源是望遠(yuǎn)鏡用來接收宇宙外來信號的裝置系統(tǒng)，F(xiàn)AST饋源支撐塔包含六基鋼管塔，塔頂承載數(shù)十噸量級周期性緩慢變化的鋼索拉力。6塔高度均超過100米，饋源支撐塔共有24個(gè)塔腿基礎(chǔ)，分為嵌固式基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)兩種，其中樁基礎(chǔ)最大埋深為36米。

FAST索驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)工程主要內(nèi)容包括：索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)的維修卷揚(yáng)機(jī)基礎(chǔ)、底部導(dǎo)向滑輪基礎(chǔ)/定滑輪基礎(chǔ)、拖運(yùn)軌道、機(jī)房驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)、排水及防雷設(shè)施等。索驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)工程于2013年8月1日開工建設(shè)，2014年8月6日順利竣工。

圈梁鋼結(jié)構(gòu)安裝工程

圈梁是FAST索網(wǎng)的支承結(jié)構(gòu)，包括承臺基礎(chǔ)、格構(gòu)柱及環(huán)梁。50根高度在6.419～50.419米的格構(gòu)柱將內(nèi)圈直徑500.8米、高5.5米、寬11米的環(huán)梁支承在50個(gè)承臺基礎(chǔ)上，每個(gè)格構(gòu)柱頂設(shè)2個(gè)抗震支座，不同溫度下環(huán)梁的熱脹冷縮可由滑移支座實(shí)現(xiàn)徑向滑移。2014年9月11日，圈梁制造和安裝工程完工并通過驗(yàn)收。

索網(wǎng)制造與安裝工程

該項(xiàng)建設(shè)是FAST工程的主要技術(shù)難點(diǎn)之一。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是FAST主動(dòng)反射面的主要支撐結(jié)構(gòu)，是反射面主動(dòng)變位工作的關(guān)鍵點(diǎn)。FAST索網(wǎng)是世界上跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也是世界上第一個(gè)采用變位工作方式的索網(wǎng)體系。索網(wǎng)可采取主動(dòng)變位的獨(dú)特工作方式，根據(jù)觀測天體的方位，利用促動(dòng)器控制下拉索，在500米口徑反射面的不同區(qū)域形成直徑為300米的拋物面，以實(shí)現(xiàn)天體觀測。索網(wǎng)工程于2014年7月17日正式開工，2015年2月4日順利完成合攏。該工程的順利完成是FAST總體工程的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，為FAST后續(xù)工程順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

饋源塔制造與安裝工程

六基饋源支撐塔是FAST饋源支撐系統(tǒng)的主體承載結(jié)構(gòu)，是鋼索承載和驅(qū)動(dòng)的依托支架，并為塔頂導(dǎo)向滑輪提供足夠剛性的支撐平臺，保證驅(qū)動(dòng)鋼索能夠牽引饋源艙在預(yù)定軌跡上運(yùn)動(dòng)。饋源塔制造與安裝工程于2014年3月15日正式開始現(xiàn)場安裝工作，11月15日完工，11月30日通過驗(yàn)收。

測量基墩

測量基墩是FAST工程測量與控制系統(tǒng)的主體建筑。通過在大窩凼洼地內(nèi)建造24個(gè)伸出反射面的基墩，為高精度測量儀器提供穩(wěn)定可靠的安裝平臺，完成對反射面節(jié)點(diǎn)位置和饋源艙位姿測量，為反射面和饋源支撐控制提供測量數(shù)據(jù)。該工程于2013年5月開工，2014年10月16日竣工并通過驗(yàn)收。

艙?？科脚_工程

艙停靠平臺位于主動(dòng)反射面中心底部，是饋源艙安裝、入港?？俊⒕S護(hù)、檢測平臺，也是安裝、更換索驅(qū)動(dòng)纜索的平臺。2014年5月1日，艙停靠平臺工程正式開工，6月23日主體結(jié)構(gòu)安裝完工，2015年11月30日，艙?？科脚_完成驗(yàn)收。

綜合布線工程

該工程涉及觀測樓、變電站、中繼室、兩千多臺促動(dòng)器、6個(gè)饋源支撐塔和25個(gè)測量基墩的構(gòu)筑物修建、設(shè)備購置及動(dòng)力和通訊線纜鋪設(shè)等，同時(shí)還包括洼地內(nèi)路燈、語音通信、安防和邊坡支護(hù)等工作。綜合布線工程是FAST的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是所有指令信號、數(shù)據(jù)傳輸、動(dòng)力傳輸?shù)耐ǖ溃荈AST高效運(yùn)行的保障。該工程于2014年4月21日正式開工，截至目前，綜合布線工程已全部完成。

饋源索驅(qū)動(dòng)制造和安裝工程

作為世界上在建的最大繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)，索驅(qū)動(dòng)是FAST工程的三大自主創(chuàng)新技術(shù)之一，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、纜索裝置、控制系統(tǒng)、設(shè)備基礎(chǔ)及其他附屬設(shè)施組成。2014年10月，索驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場安裝工作正式開始；2015年2月，第一根支撐索安裝成功；2015年11月，完成六索驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝工作，進(jìn)入六索聯(lián)調(diào)階段。

主動(dòng)反射面液壓促動(dòng)器工程

反射面液壓促動(dòng)器在上位控制系統(tǒng)的控制下，通過液壓促動(dòng)器活塞桿的伸縮來實(shí)現(xiàn)精確定位、協(xié)同運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)整下拉索下端的位置，從而間接同步調(diào)整索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)位置，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)滿足擬合精度的300米口徑瞬時(shí)拋物面，實(shí)現(xiàn)天文觀測的跟蹤、換源等要求。同時(shí)，液壓促動(dòng)器還可根據(jù)上位機(jī)查詢指令，將自身各項(xiàng)狀態(tài)信息上報(bào)給上位控制系統(tǒng)，并在必要時(shí)主動(dòng)將自身故障報(bào)警信息上報(bào)給上位控制系統(tǒng)。2015年3月29日，完成首批100臺液壓促動(dòng)器產(chǎn)品的制造、檢測和出廠液壓促動(dòng)器的生產(chǎn)也隨之步入正軌。2015年7月，完成了全部促動(dòng)器的制造、現(xiàn)場安裝和調(diào)試工作。

反射面面板制造與安裝工程

FAST反射面單元主要由面板單元、背架、調(diào)整裝置、連接機(jī)構(gòu)等組成。反射面單元通過促動(dòng)器和索網(wǎng)的主動(dòng)控制在觀測方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面以'7廠聚電磁波，從而實(shí)現(xiàn)天文觀測。專用吊裝設(shè)備將在小窩凼內(nèi)完成拼裝與檢測的4450塊反射面單元吊運(yùn)到索網(wǎng)指定位置，形成望遠(yuǎn)鏡反射面；同時(shí)，將吊裝設(shè)備改造成維護(hù)設(shè)備，留用于望遠(yuǎn)鏡反射面的后續(xù)維護(hù)。2015年8月2日第一塊拼裝檢測合格的反射面單元在FAST工程現(xiàn)場成功吊裝，標(biāo)志著FAST工程建設(shè)進(jìn)入最后沖刺階段。2016年7月3日，最后一塊反射面單元完成吊裝，F(xiàn)AST主體工程正式完工。

饋源艙制造與安裝工程

饋源艙即安放饋源系統(tǒng)的艙體，主要包括星形框架、AB軸機(jī)構(gòu)、多波束接收機(jī)轉(zhuǎn)向裝置、艙罩和其他附屬設(shè)備設(shè)施等。2014年10月，饋源艙的代艙開始在大窩凼現(xiàn)場進(jìn)行安裝，隨后配合索驅(qū)動(dòng)的調(diào)試試驗(yàn)；2015年1月21日，代艙完成結(jié)構(gòu)部分焊接和安裝工作。代艙作為饋源艙的代替艙，主要用于FAST的前期調(diào)試和試驗(yàn)。2015年11月21日上午11時(shí)，F(xiàn)AST饋源支撐系統(tǒng)首次升艙成功，這標(biāo)志著FAST工程饋源支撐系統(tǒng)正式進(jìn)人六索帶載聯(lián)調(diào)階段。

此外，F(xiàn)AST一些重大的系統(tǒng)控制工程正在建設(shè)之中，可望于2016年完成。這些控制系統(tǒng)包括：望遠(yuǎn)鏡總控系統(tǒng)，饋源支撐整體控制系統(tǒng)和主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)。

望遠(yuǎn)鏡總控系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)和控制各子系統(tǒng)，監(jiān)測各部件運(yùn)行狀態(tài)，排除故障，收集、記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，并提供統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，使望遠(yuǎn)鏡能按計(jì)劃進(jìn)行天文觀測。

作為FAST中樞，饋源支撐整體控制系統(tǒng)的主要功能有：饋源支撐測量數(shù)據(jù)處理，天文軌跡規(guī)劃，饋源支撐整體控制和系統(tǒng)校時(shí)。

作為FAST重要?jiǎng)?chuàng)新之一，主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)的目標(biāo)是，根據(jù)天文軌跡規(guī)劃和測量數(shù)據(jù)，通過調(diào)整促動(dòng)器的伸長量來控制反射面節(jié)點(diǎn)位置，形成位置和面型準(zhǔn)確的拋物面。

工程建設(shè)的最后兩大建設(shè)系統(tǒng)，一是FAST工程的接收機(jī)與終端，二是觀測基地。接收機(jī)與終端包括7套接收機(jī)和終端（覆蓋70～3000兆赫的頻率范圍），用以對數(shù)據(jù)進(jìn)行接受、傳輸、處理、存儲(chǔ)等。2016年6月，270～1620兆赫接收機(jī)已加工完成，運(yùn)抵貴州。作為FAST建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)的基礎(chǔ)保障，觀測基地已于2015年10月開工建設(shè)，預(yù)計(jì)于2016年7月31日完成主體建筑施工工程。

FAST工程預(yù)計(jì)于2016年9月竣工。具有中國獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的FAST建成后，其靈敏度、天區(qū)覆蓋面和測量精度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越世界上已建成的射電望遠(yuǎn)鏡，屆時(shí)將成為世界上口徑最大、最具威力的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。FAST涵蓋的天文學(xué)內(nèi)容十分豐富，在宇宙初始混濁，星系演化，恒星乃至太陽、行星與鄰近空間事件等的觀測研究方面，都有非常強(qiáng)的競爭力，其中脈沖星探測、中性氫和奇異暗弱天體成像等課題蘊(yùn)藏著巨大的機(jī)遇。作為一個(gè)多學(xué)科研究平臺，它還將在日地環(huán)境研究、深空探測和國家安全等方面發(fā)揮重要作用，F(xiàn)AST工程建設(shè)也推動(dòng)了中國眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展。