FAST建造和調(diào)試進(jìn)展

中國(guó)天眼是貴州的驕傲，也是中國(guó)的驕傲。下面，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)FAST工程副總工藝師孫才紅研究員告訴我們FAST的建造和調(diào)試進(jìn)展。

FAST從無(wú)到有，我見(jiàn)證它整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，所以非常自豪。

現(xiàn)在FAST對(duì)于中國(guó)還是世界來(lái)說(shuō)都是比較時(shí)髦的，它的誕生，我們看看原動(dòng)力。一個(gè)無(wú)意當(dāng)中的發(fā)現(xiàn)，開設(shè)了天文觀測(cè)方法，為整個(gè)人類貢獻(xiàn)了四大成果。第一是脈沖星，脈沖星驗(yàn)證了中子星的存在。這方面的觀測(cè)，甚至比我們現(xiàn)在的各種成績(jī)大得多。另外外星際分子對(duì)生命起源、星系示蹤體，還有微波背景的輻射，宇宙的碰撞，還有類星體改變了對(duì)宇宙的認(rèn)知。

有了大口徑的望遠(yuǎn)鏡，我們可以觀測(cè)到更遙遠(yuǎn)的宇宙、更早期的天文結(jié)果。從這里我們可以研究宇宙的起源、恒星起源以及演化的過(guò)程。對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，一直追求的是大口徑的望遠(yuǎn)鏡。

從1972年以后，傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡建設(shè)到了100米口徑，但是由于風(fēng)力的影響和重力的影響，給整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的精度帶來(lái)了影響，使得100米口徑的望遠(yuǎn)鏡很難突破，我們要通過(guò)其他方法實(shí)現(xiàn)更大口徑望遠(yuǎn)鏡的研制。這樣才能進(jìn)一步滿足我們天文學(xué)家的要求。

對(duì)于FAST來(lái)說(shuō)，其實(shí)它的原理很簡(jiǎn)單。首先看一下，拋物面和球面的切合度。一般傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡，可以看到紅顏色的部分，紫紅曲線部分還有藍(lán)顏色的接收部分，紫紅部分是拋物面，藍(lán)顏色就是接收機(jī)，望遠(yuǎn)鏡就是一個(gè)反射面和接收機(jī)，形成一個(gè)接收系統(tǒng)。作為一個(gè)整體我們可以隨機(jī)旋轉(zhuǎn)宇宙中的任何一個(gè)天氣，這個(gè)望遠(yuǎn)鏡就是傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡形式。我們觀察S2的這個(gè)天體，整個(gè)下面的曲線是500米的曲線球面，就紫紅色變成了拋物面，它們所接收的天體電磁波集中在這個(gè)地方，所以反射面一直是變形的。而接收機(jī)在口中時(shí)時(shí)刻刻運(yùn)動(dòng)的，比如說(shuō)天體從S1到S2，隨著地球運(yùn)轉(zhuǎn)我們反射面隨時(shí)跟蹤變形，我們接收機(jī)在空中是隨時(shí)運(yùn)動(dòng)的。

這個(gè)是FAST整體的原理，并不是很復(fù)雜。要建設(shè)這個(gè)望遠(yuǎn)鏡我們要做3個(gè)主要的工作。第一是要找一個(gè)適合望遠(yuǎn)鏡建設(shè)的臺(tái)子。我們使用的手機(jī)都是無(wú)線電的信號(hào)，選擇這個(gè)地方我們希望遠(yuǎn)離無(wú)線電的干擾源。第二是需要這個(gè)地形能適合我們500米口徑球面的，這樣切合度比較高，不然所有望遠(yuǎn)鏡投入這個(gè)開發(fā)都不夠。第三是不存水，喀斯特地貌。第四是地質(zhì)結(jié)構(gòu)要比較穩(wěn)定。我們要做到主動(dòng)變形的反射面，我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)主動(dòng)變形呢？最終方案我們也討論過(guò)分體面板，最后我們采取索網(wǎng)實(shí)現(xiàn)反射面。這個(gè)索網(wǎng)是安裝在環(huán)梁上還是安裝在山體上等等，在這過(guò)程當(dāng)中我們不停對(duì)反射面整體進(jìn)行系列優(yōu)化，形成了我們現(xiàn)在的最終方案。

我們的望遠(yuǎn)鏡跟美國(guó)的305米口徑望遠(yuǎn)鏡原理是不同的，我們可以看到，其實(shí)通過(guò)大平臺(tái)的方式接收機(jī)在軌道運(yùn)行，如果FAST從這個(gè)程度根本達(dá)不到。我們通過(guò)6臺(tái)、6根鋼索拉著接收機(jī)，通過(guò)長(zhǎng)度的改變使得接收機(jī)在空中運(yùn)動(dòng)。6索的運(yùn)動(dòng)達(dá)不到我們的精度，我們安裝了角度改變格，我們6臺(tái)+6根鐵索，下面的大型索網(wǎng)，索網(wǎng)由一根根下拉索的長(zhǎng)度改變決定了整個(gè)網(wǎng)反射面形狀的改變，這個(gè)是我們的望遠(yuǎn)鏡。

那么望遠(yuǎn)鏡有多大？其實(shí)500米口徑，在我們腦海里是一種數(shù)據(jù)。事實(shí)上我們有一個(gè)同事進(jìn)行了一個(gè)計(jì)算。它的大小如果裝滿水的話，能夠讓全世界每人有4瓶水。當(dāng)然這是容積大，實(shí)際上反映了望遠(yuǎn)鏡整個(gè)包括設(shè)計(jì)、建造過(guò)程中的困難和艱辛。

我們的反射面是通過(guò)索網(wǎng)變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的，索網(wǎng)是通過(guò)鋼索來(lái)組裝成的。鋼索因?yàn)椴煌Ｗ冃嗡枰岣邚?qiáng)度，其實(shí)這個(gè)鋼索在我們發(fā)射立項(xiàng)以后，這個(gè)鋼索都沒(méi)有能夠得到解決。從當(dāng)時(shí)的工藝各個(gè)方面，我們所采購(gòu)到的這種鋼索，進(jìn)行了所有的實(shí)驗(yàn)，都無(wú)法滿足FAST望遠(yuǎn)鏡的使用要求，這時(shí)天文界對(duì)我們最終是否能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射都是持悲觀的情緒。一直到最終我們通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)失敗，最后形成了這個(gè)鋼索，滿足我們使用的要求。所以說(shuō)這個(gè)本身是FAST研制當(dāng)中的一次危機(jī)，而事實(shí)上我們度過(guò)了一個(gè)難關(guān)，當(dāng)時(shí)對(duì)我們壓力非常大，試驗(yàn)成功，F(xiàn)AST前景非常好。我們可以看到這是一個(gè)下靶的觸動(dòng)器，整個(gè)過(guò)程達(dá)到這么高的精度，是一個(gè)奇跡。

我們?nèi)α旱慕ㄔO(shè)過(guò)程，還有反射面，整個(gè)反射面安裝非常困難，我們山區(qū)無(wú)法通過(guò)大型的機(jī)器安裝，都是這種傳統(tǒng)的方式，圈梁就是堆積木的方式進(jìn)行安裝。這樣，我們一些建筑的基礎(chǔ)，比如說(shuō)塔的基礎(chǔ)，圈梁的各個(gè)基礎(chǔ)，我們無(wú)法通過(guò)大型機(jī)械來(lái)做。如果說(shuō)在北京或者在我們貴州附近，我們可以通過(guò)大型的挖掘機(jī)做這個(gè)工程。而在這里，我們只能通過(guò)人工一點(diǎn)一點(diǎn)打，最深的井達(dá)到38米，整個(gè)建設(shè)過(guò)程非常艱辛。

索網(wǎng)建設(shè)工程，所有都是在空中建設(shè)的。科研支撐塔的安裝過(guò)程，整個(gè)工程聚集了幾千名工人的辛勤和汗水?？⒐ひ院蟛⒉皇枪こ探Y(jié)束了，而是一個(gè)新的開始。這是我們的調(diào)試工作，我們望遠(yuǎn)鏡越大，靈活度越高，但是也帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題，有代價(jià)的。這個(gè)代價(jià)就是系統(tǒng)的構(gòu)成非常復(fù)雜，設(shè)備非常繁雜，它的可靠性各個(gè)方面對(duì)我們都帶來(lái)一些影響。這樣，我們?cè)谡{(diào)試的過(guò)程當(dāng)中，要進(jìn)行系統(tǒng)的性能整合，有100多名專家參與我們工作，科研機(jī)構(gòu)就有好幾家，第一是工期比較緊張，越早建成我們天文研究越受益，這樣我們通過(guò)4個(gè)月的調(diào)試，使得我們的科研倉(cāng)可以很自由的伸到空中，按照我們?cè)O(shè)計(jì)的軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。包括對(duì)于天體的跟蹤，我們的掃描觀測(cè)都沒(méi)有什么問(wèn)題。

那么我們把整個(gè)的系統(tǒng)調(diào)適安裝到我們的設(shè)想運(yùn)動(dòng)以后，跟蹤天體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了跟蹤以后，當(dāng)時(shí)南老師已經(jīng)生病了，但是一直關(guān)注我們整個(gè)進(jìn)程。我們跟蹤成功以后，他非常欣慰。從天文學(xué)界對(duì)我們望遠(yuǎn)鏡最終能否達(dá)到設(shè)想的目標(biāo)很擔(dān)憂。在這里，存在很多難點(diǎn)，比如說(shuō)我們所使用的測(cè)量設(shè)備是全站儀，受到各種影響，但我們都克服了。

最終我們能夠打造整體的測(cè)量基準(zhǔn)達(dá)到0.1毫米，最高的精度能夠保證在0.1毫米的要求。有了這些調(diào)試以后，我們可以達(dá)到整個(gè)FAST望遠(yuǎn)鏡要求的靈敏度，比世界已知的望遠(yuǎn)鏡高了很多，是GBT望遠(yuǎn)鏡性能的10倍。有了這樣的指標(biāo)我們可以取得一些觀測(cè)成果，包括對(duì)于脈沖星觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)90多顆脈沖星候選體，認(rèn)證了65顆，發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星——這是FAST通過(guò)跟蹤伽馬射線點(diǎn)源3FGLJ0318.1+0252，首次發(fā)現(xiàn)的一顆毫秒脈沖星，然后又通過(guò)FAST與費(fèi)米伽馬射線衛(wèi)星大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡（Fermi-LAT）的國(guó)際合作認(rèn)證了此次新發(fā)現(xiàn)。這些成果我們發(fā)表在《中國(guó)科學(xué)》雜志上。

從我們的感受來(lái)說(shuō)，我們要不忘初心，對(duì)我們FAST整體工程人員，我們不僅要建一個(gè)最大的望遠(yuǎn)鏡，我們要建一個(gè)好用的望遠(yuǎn)鏡。

我們的初心就是我們的追求、我們的信念、我們的情懷。我們也有很好的希望，希望以后的天文學(xué)家們能夠使用好這個(gè)望遠(yuǎn)鏡，我們也會(huì)做好后期保障工作，起到綠葉的作用。

我們也知道，望遠(yuǎn)鏡建成以后，我們后續(xù)的工作是進(jìn)一步為天文學(xué)家服務(wù)，以后我們真正的主角是天文學(xué)家們。當(dāng)然剛才謝校長(zhǎng)也說(shuō)，一旦取得成就，我們工程人員也希望能夠被大家記住，這是我們參加工程建設(shè)的人員，他們也像南老師一樣都有20多年的奉獻(xiàn)?。ň庉?潘國(guó)虎）