“中國(guó)天眼”凝聚中國(guó)制造

洪大禹

【摘要】：FAST是世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，于2016年9月25日在貴州省平塘縣落成啟用。落成啟用當(dāng)天，習(xí)近平總書(shū)記在賀信中指出，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡被譽(yù)為“中國(guó)天眼”，是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。它的落成啟用，對(duì)我國(guó)在科學(xué)前沿實(shí)現(xiàn)重大原創(chuàng)突破、加快創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】：FAST、創(chuàng)新、中國(guó)制造

作為世界上最大的單口徑巨型射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST直徑500米，高差173米，從空中俯瞰，就像一口由群山環(huán)抱的“超級(jí)大鍋”。“鍋面”——巨大的球冠形反射面;“鍋”正中央懸空的“盒子”——饋源艙;支撐“鍋”的無(wú)數(shù)道線(xiàn)——索網(wǎng)等支撐結(jié)構(gòu)。一點(diǎn)一面多線(xiàn)，牢牢撐起了這個(gè)龐然大物。與此同時(shí)，F(xiàn)AST還保持著國(guó)際一流的靈敏度和綜合性能。它的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)隨著天體的移動(dòng)自動(dòng)變化，帶動(dòng)鋼索網(wǎng)上活動(dòng)的4450個(gè)反射面板產(chǎn)生變化，使得FAST保持足夠的靈敏度。

美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的饋源平臺(tái)重達(dá)1000噸，幾乎等于用固定軌道把平臺(tái)架設(shè)在半空，這樣的設(shè)計(jì)有利于饋源的定位，卻縮小了觀(guān)測(cè)角度。國(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)鄭曉年說(shuō)，中國(guó)“天眼”采取了輕型索支撐饋源平臺(tái)方案，把饋源艙減重到30噸，覆蓋天頂角是美國(guó)望遠(yuǎn)鏡的兩倍，并通過(guò)并聯(lián)機(jī)器人二級(jí)調(diào)整，最終在降低建造成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)高精度定位。

但可變形的反射面和可牽引運(yùn)動(dòng)的饋源艙又帶來(lái)新問(wèn)題，“天眼”信號(hào)傳輸用的光纜要能在5年內(nèi)抗6.6萬(wàn)次拉伸、信號(hào)衰減小于0.1dB，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)僅為1000次、0.2dB，國(guó)外相關(guān)技術(shù)被封鎖。饋源支撐系統(tǒng)副總工程師潘高峰說(shuō)，參與研制光纜的是烽火通信科技股份有限公司和北京郵電大學(xué)林中教授團(tuán)隊(duì)。當(dāng)時(shí)烽火通信的生產(chǎn)線(xiàn)全部飽和，一條生產(chǎn)線(xiàn)每天產(chǎn)能40千米，每次為生產(chǎn)200米的試驗(yàn)光纜，來(lái)回調(diào)整配方工藝要耽誤兩天。光纜試驗(yàn)一次周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，林中教授不僅為設(shè)計(jì)提供大量技術(shù)研究，為確保試驗(yàn)周期不中斷，除夕夜還堅(jiān)持去實(shí)驗(yàn)室記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

“經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，花費(fèi)4年時(shí)間，最終用在‘天眼’上的動(dòng)光纜可經(jīng)受反復(fù)彎曲、卷繞和扭轉(zhuǎn)等機(jī)械性能和惡劣自然環(huán)境考驗(yàn)，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)需求，但項(xiàng)目預(yù)算的研制經(jīng)費(fèi)只有300萬(wàn)元?！?00米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程總工藝師王啟明說(shuō)，還有很多參建企業(yè)和科研單位，都首先從社會(huì)責(zé)任出發(fā)支持大科學(xué)工程，把經(jīng)濟(jì)效益放在其次。

“天眼”工程是一套復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除了反射面、饋源艙和接收機(jī)等核心系統(tǒng)，還包括龐雜的綜合布線(xiàn)工程和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)?！案哽`敏度”、“更多來(lái)自宇宙的訊息”也意味著海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和復(fù)雜的計(jì)算要求。

中國(guó)“天眼”作為射電天文學(xué)界的重要突破，其對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算的需要同樣也是“天文級(jí)”的。短期內(nèi)“天眼”的計(jì)算性能需求至少需達(dá)到每秒200萬(wàn)億次以上，存儲(chǔ)容量需求達(dá)到10PB以上。而隨著時(shí)間推移和科學(xué)任務(wù)的深入，其對(duì)計(jì)算性能和存儲(chǔ)容量的需求將爆炸式增長(zhǎng)。

由曙光公司打造的超算中心的接入，就像是給“天眼”連接上了計(jì)算“大腦”，將其探測(cè)到的未知信息處理成人類(lèi)可解讀的內(nèi)容。據(jù)曙光公司總裁歷軍透露，超算系統(tǒng)全部建成后，將以更高效能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分發(fā)、計(jì)算和分析全力支撐“天眼”高靈敏度、高性能的天文觀(guān)測(cè)。

中科院國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)嚴(yán)俊說(shuō)，中國(guó)“天眼”的研制和建設(shè)，體現(xiàn)了我國(guó)自主創(chuàng)新能力，由最初不到5人的研究小組發(fā)展到上百人的團(tuán)隊(duì)，工程建設(shè)凝聚了國(guó)內(nèi)100多家單位的力量，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)大科學(xué)工程由跟蹤模仿到集成創(chuàng)新的跨越，將為我國(guó)射電天文多個(gè)研究領(lǐng)域和自然科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域提供重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。

FAST規(guī)模之大、精密度之高、視野之廣，綜合體現(xiàn)了中國(guó)高技術(shù)創(chuàng)新能力。其建造工程從前期選址到設(shè)計(jì)研發(fā)、后期維護(hù)都由中國(guó)科學(xué)家完成。FAST選址始于1994年，科學(xué)家們前后考察400余處，最終選定貴州省大窩凼洼地。此后，F(xiàn)AST的創(chuàng)意經(jīng)過(guò)10多年反復(fù)錘煉，其間對(duì)主動(dòng)反射面、光機(jī)電一體化的饋源支撐系統(tǒng)、高精度的測(cè)量與控制、接收機(jī)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)14年的合作研究，凝聚了來(lái)自多家科研單位的眾多中國(guó)科學(xué)家的創(chuàng)新研究。

建成啟用后的FAST，在探測(cè)宇宙中的遙遠(yuǎn)信號(hào)和物質(zhì)方面，將成為對(duì)脈沖星、類(lèi)星體等各種暗弱輻射源進(jìn)行精密觀(guān)測(cè)的利器，有助于解答宇宙初始混沌、暗物質(zhì)分布與大尺度結(jié)構(gòu)以及星系演化等領(lǐng)域的謎團(tuán)。同時(shí)，在深空探測(cè)、脈沖星自主導(dǎo)航、高分辨率微波巡視和太空天氣預(yù)報(bào)等方面，也將發(fā)揮重要作用。除了單向接收宇宙信號(hào)之外，F(xiàn)AST也具備提供星際間的深空通訊能力。如果有人類(lèi)航天器飛到遠(yuǎn)至太陽(yáng)系外緣行星，仍然能夠通過(guò)FAST和地球聯(lián)系上。