從“天眼”開始，大科學(xué)裝置建設(shè)進入“大時代”

黃祺

2020年1月9日， 工作人員對FAST反射面板進行檢修。

2020年末，曾有一則“中國天眼坍塌”的謠言在網(wǎng)上流傳。照片上，工程設(shè)施殘破一地，看起來十分凄涼。這種“別有用心”的謠言很快就被攻破：照片上的天眼實際上是位于美國的阿雷西博巨型射電望遠鏡。

美國天眼坍塌事故從另一個角度再次說明，口徑巨大、暴露于戶外的射電望遠鏡，對工程技術(shù)要求極高，它考驗著一個國家在工程設(shè)計、施工、材料等等方面的綜合能力。天眼的建設(shè)沒有現(xiàn)成的“樣板”可以復(fù)制，在大山之中，建設(shè)者們所做的每一步推進都是“逢山開路、遇水搭橋”的創(chuàng)新。

中國天眼的建設(shè)，將中國大科學(xué)裝置工程的建設(shè)水平向前大大推進，繼天眼之后，一批大科學(xué)裝置投入建設(shè)。有了天眼的成功經(jīng)驗，中國的工程師在大科學(xué)裝置建設(shè)上有了更多的自信，更多的科學(xué)夢想將陸續(xù)實現(xiàn)。

工程設(shè)計挑戰(zhàn)：做一個靈活的巨人

把建成后的天眼與20多年前貴州省平塘縣大窩凼村的照片對比，相信每個人心中都會升騰起“魔幻感”。

當(dāng)?shù)厝怂Q的大窩凼，是喀斯特地貌中獨特的一種洼地，當(dāng)年的大窩凼形如一只巨碗，“碗底”世代居住著幾戶人家，靠耕作土地為生，過著靠天吃飯的傳統(tǒng)生活。在這個偏遠的山村，人們受教育程度不高，很少有人去思考“天外有天”。

1996年，幾個說著普通話的人來到大窩凼四處勘察，大窩凼的村民第一次聽說他們這里適合建設(shè)一個望遠鏡。帶隊的正是中國科學(xué)院國家天文臺研究員、發(fā)起天眼項目并任工程首席科學(xué)家兼總工程師的南仁東，大窩凼則是他在西南地區(qū)遍尋建設(shè)地址的其中一個考察點。

大窩凼幾乎天生就是一個“碗”，非常適合建設(shè)大口徑望遠鏡，再加上位置偏遠，具備了望遠鏡觀測時所需的環(huán)境條件，經(jīng)過復(fù)雜而全面的論證，南仁東籌劃多年的天眼項目，最終確定落在大窩凼。

后來因為各種客觀原因，500米口徑球面射電望遠鏡（以下簡稱FAST） 工程開工建設(shè)時，距離南仁東第一次考察大窩凼已經(jīng)過去了15年。2011 年 3 月 25 日，F(xiàn)AST正式開工建設(shè)，2016 年 9 月 25 日竣工。

普通人參觀天眼，帶來震撼的首先是天眼這口大“鍋”的大。所謂“500米口徑”是指望遠鏡反射面球冠開口直徑達500米。如果有幸靠近天眼，人只能渺小到如設(shè)施上的一個零件。

但從工程專業(yè)角度，天眼的難度并不僅僅是“大”，而是在“大”的基礎(chǔ)上還要成為一個“靈活的巨人”。無論從設(shè)計、施工還是材料來說，“靈活的巨人”比單純的“大”難度系數(shù)翻了很多倍。

天眼工程由中國天文臺主導(dǎo)，北京市建筑設(shè)計研究院有限公司（BIAD）等單位參與設(shè)計。作為天眼項目反射面主體支承結(jié)構(gòu)設(shè)計負責(zé)人，北京市建筑設(shè)計研究院有限公司總工程師朱忠義2011年開始與南仁東團隊接觸和溝通，當(dāng)年年底，北京市建筑設(shè)計研究院有限公司正式受國家天文臺委托，承擔(dān)“天眼”反射面主體支承結(jié)構(gòu)設(shè)計及反射面板與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的分析工作。

朱忠義在貴州黔南州平塘縣大窩凼施工現(xiàn)場。

朱忠義和他的團隊，此前在復(fù)雜大跨度結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計上已經(jīng)有了諸多成績，如國家體育館世界最大雙向張弦結(jié)構(gòu)的設(shè)計，就收獲了很多獎項。不過，天眼仍是極具挑戰(zhàn)的一個任務(wù)。

設(shè)計團隊首先要面對的挑戰(zhàn)是大窩凼復(fù)雜的地形。通常，大跨度的體育館或者廠房等都建設(shè)在平地上，而天眼必須借助大窩凼天然的地形，這意味著天眼的“腳”只能高高低低插進基礎(chǔ)。朱忠義接受《新民周刊》采訪時介紹，巨大的望遠鏡要建在地質(zhì)和地貌都很復(fù)雜的巖溶洼地，首先支承柱高度在3米至50米不等，造成了圈梁、索網(wǎng)和基礎(chǔ)受力復(fù)雜。同時，如何減小溫差對結(jié)構(gòu)的影響，也是設(shè)計師必須解決的問題。

我們看到的一口大“鍋”，實際上由46萬塊三角形單元拼接而成，支撐這些三角形面板單元的，是6000多根鋼索。最終，6000多根鋼索長度誤差均未超過1毫米?！拔覀兤胀ǖ拇罂缍蠕摻Y(jié)構(gòu)建筑，鋼索誤差一般可以在1厘米，而天眼工程，對精度的要求就要高得多?！?/p>

朱忠義表示，更大的挑戰(zhàn)是射電望遠鏡并非靜止不動，它的反射面可以實時調(diào)整形態(tài)，是目前世界上唯一可主動變位的球面射電望遠鏡，中國天眼比美國阿雷西博射電望遠鏡的有效接收面積擴大了2.3倍，靈敏度更是遠遠高于后者。

實現(xiàn)“可變”的還是這張索網(wǎng)的柔性伸縮，這個關(guān)鍵技術(shù)在專業(yè)上叫“可主動變位的高精度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)”。

又要可變，又要精準，還要考慮戶外環(huán)境中各種因素給結(jié)構(gòu)帶來的影響——比如溫差、地震、風(fēng)、暴雨帶來的荷載等等。所有的影響因素放在一起，結(jié)合工程造價等等要求，設(shè)計團隊最終拿出了一份被外界評價為“完美”的設(shè)計方案。而為了這個方案，朱忠義和團隊已經(jīng)記不清多少次往返大窩凼與北京，大窩凼的臨時板房成了大家共同的難忘回憶。

談起天眼工程項目，朱忠義感慨良多。這是他的團隊第一次承接天文大科學(xué)裝置項目，是一次全新的挑戰(zhàn)。與南仁東等天文科學(xué)家一起合作6年，朱忠義收獲了很多天文學(xué)知識，也在大科學(xué)裝置的設(shè)計上積累了豐富的經(jīng)驗。他告訴《新民周刊》，南仁東先生工程經(jīng)驗非常豐富，在關(guān)鍵的判斷和抉擇上勇于擔(dān)當(dāng)責(zé)任，南仁東身上的精神讓他欽佩。也因為天眼，朱忠義團隊與科學(xué)設(shè)施結(jié)下緣分，此后又承接了其他的國家大科學(xué)裝置重大工程。

材料與施工挑戰(zhàn)：為天眼全面升級

鋼結(jié)構(gòu)索網(wǎng)是天眼的骨架，編織索網(wǎng)需要的關(guān)鍵零件有5萬多個。有了設(shè)計圖，是否能將圖紙完美地變成現(xiàn)實更是一個挑戰(zhàn)。

近9000根鋼索是關(guān)鍵材料，它們支撐著反射面4450塊獨立的反射板隨意變形。而在2010年，鋼索疲勞實驗失敗，險些讓天眼工程擱淺。

中科院國家天文臺FAST項目總工藝師王啟明曾接受采訪回憶：“這種索我們在做實驗的時候，就發(fā)現(xiàn)國內(nèi)沒有，找了很多廠家沒有能夠滿足我們要求的這種材料?！?/p>

朱忠義向《新民周刊》介紹，因為需要變化形態(tài)，鋼索拉扯十分頻繁，需要超高的疲勞強度，最大工作應(yīng)力幅要達到500兆帕，是國家標準的2.5倍。當(dāng)時國內(nèi)沒有生產(chǎn)符合要求材料的企業(yè)。所謂“疲勞”，說的是鋼索在往復(fù)拉伸的過程中發(fā)生的損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程，比如斜拉橋上的懸索，每次車輛經(jīng)過橋面都會發(fā)生抖動，每次抖動對于懸索來說都會帶來應(yīng)力變化，那么橋梁的懸索就必須達到疲勞要求才能保證橋梁的安全。

技術(shù)人員對一些企業(yè)現(xiàn)有的產(chǎn)品進行疲勞試驗，大多數(shù)張拉二三十萬次鋼索就斷了，而天眼的要求是達到“500兆帕應(yīng)力幅下200萬次疲勞試驗要求”。

在多家單位實驗失敗之后，國家天文臺找到了柳州歐維姆機械股份有限公司尋求合作。公司原總工程師龍躍回憶：“當(dāng)時，我在南寧跟天文臺的王啟明教授談了三個小時，我覺得這個事情超乎我們的想像。同類型拉索里面，全世界最高的應(yīng)力幅度也只有250兆帕，500兆帕（應(yīng)力幅）前面所有的人都沒有去嘗試過?！?p>

2020年1月11日，專家學(xué)者對“中國天眼”進行考察（檢修期間拍攝）。

企業(yè)迅速成立了研究小組，從改進原材料入手，選用一種超級材料創(chuàng)新制成高彈力的鋼絲。前后用了兩年多的時間，柳州歐維姆機械股份有限公司的產(chǎn)品終于達到了要求。針對索頭與索的銜接問題，研發(fā)團隊大膽創(chuàng)新，為最容易斷裂的索頭也找到了全新的固定方法，最終突破了超高疲勞性能鋼索結(jié)構(gòu)研制、超大跨度索網(wǎng)安裝方案設(shè)計、超高精度索結(jié)構(gòu)制造工藝等關(guān)鍵技術(shù)，形成了14項國家專利技術(shù)，使中國天眼工程避免了使用價格高出幾倍的日本碳纖維拉索。

天眼提出的要求，讓曾經(jīng)為港珠澳大橋做出貢獻的柳州歐維姆再次實現(xiàn)了技術(shù)的升級換代，如果更多的中國企業(yè)能夠在一項項大國工程中實現(xiàn)技術(shù)提升，那么制造業(yè)強國的目標就會更快實現(xiàn)。

有了符合要求的材料，施工水平也必須跟上高標準。朱忠義表示，天眼的施工場地非常特殊，安裝非常困難。施工企業(yè)創(chuàng)新了很多施工方法，因地制宜地解決了一個個難題?！皬?016年9月竣工以后，天眼進入調(diào)試階段，運行過程中，設(shè)施的精度達到了國家天文臺制定的技術(shù)指標。調(diào)試階段天眼就已經(jīng)有了科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這說明我們的設(shè)施達到了預(yù)想的效果?！?h3>中國科學(xué)裝置進入大發(fā)展階段

“承接天眼項目，不僅我個人收獲很大，我們團隊的技術(shù)能力也有了很大的提高?！?作為天眼項目反射面主體支承結(jié)構(gòu)設(shè)計負責(zé)人的朱忠義是如此感受，參與工程的企業(yè)、技術(shù)人員、施工單位也都是如此的感受。

結(jié)束天眼任務(wù)后，朱忠義團隊又承接了另一個“超級工程”——中科院高能物理所在廣東江門建設(shè)的江門中微子探測器。

2013年，江門中微子實驗站項目立項，2015年正式開工建設(shè)。今年1月新聞媒體報道，江門中微子實驗站已完成第一階段地下洞室的開挖，進入到第二階段實驗設(shè)備的安裝，預(yù)計2023年底投入運行。

為了減少宇宙射線對實驗的干擾，江門中微子實驗站的實驗廳建在地下700米深處。都說“上天容易入地難”，實驗站位于地下700米，給設(shè)計和施工帶來不一樣的挑戰(zhàn)。

項目的地下建筑主要為斜井（1266米）、豎井（564米）、實驗廳（跨度49米、高71米）及附屬洞室。項目最核心的中心探測器為直徑40米的鋼結(jié)構(gòu)，約有10層樓那么高。

項目負責(zé)人介紹，實驗的探測器研制有三大技術(shù)挑戰(zhàn)，包括世界最大的有機玻璃容器（35.4米）;探測效率世界最高的光電倍增管（國產(chǎn)微通道板型光電倍增管的探測效率>30%）;世界最透明的液體閃爍體（衰減長度>20米）。

這樣一個深藏于地下的大科學(xué)裝置，將為中國的物理學(xué)基礎(chǔ)研究做出重要貢獻。“大亞灣中微子實驗讓我國粒子物理實現(xiàn)跨越式高速發(fā)展，而江門中微子實驗，則是以達到國際領(lǐng)先地位為目標，將解決國際中微子研究中下一個熱點和重大問題”?！斑@不僅對理解微觀的粒子物理規(guī)律作出重大貢獻，也將對宇宙學(xué)、天體物理乃至地球物理作出重大貢獻?！敝锌圃焊吣芩芯繂T、開平中微子研究中心主任李小男說。

大科學(xué)裝置也稱大科學(xué)設(shè)施，是指通過較大規(guī)模投入和工程建設(shè)來完成、建成后實現(xiàn)重要科學(xué)技術(shù)目標的大型設(shè)施。大科學(xué)設(shè)施無疑對推動人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著獨特的作用，但同時由于建設(shè)難度大，技術(shù)復(fù)雜，建設(shè)中需要研制大量非標的設(shè)備，對工程建設(shè)能力提出了更高的要求。

大科學(xué)裝置，還是國家科技競爭力的體現(xiàn)。技術(shù)進步是社會進步最根本的動力，中國的大國工程，不僅服務(wù)于人們的日常生活，也要面向未來，給未來人們的發(fā)展開掘更大的空間。

宇宙 演化簡史

大爆炸Big Bang

時間、空間、能量和物質(zhì)都誕生于137億年前的宇宙大爆炸。最初的宇宙極為致密且高溫，只有能量，在不到一秒的時間內(nèi)，大量粒子隨著宇宙的降溫而涌現(xiàn)出來。

普朗克時期The Planck Era

沒有任何物理理論能夠描述宇宙在這段時間內(nèi)經(jīng)歷的事情。普朗克時間和普朗克長度，是人類目前為止所能量度的最小時空。如果比這時空更小，就超出了人類的認識極限。

暴脹時期The Inflation Era

宇宙從一個質(zhì)子的十億分之一膨脹至足球場大小。暴脹的效果就像吹起一個氣球——表面在膨脹之后變得光滑而平坦了。

夸克時期The Quark Era

夸克時期，又稱為弱電時期。大量的夸克—反夸克對從能量中產(chǎn)生，又重新湮滅為能量。膠子等粒子也在此時出現(xiàn)了。

弱電力分離Separation of the electroweak force

弱電力分化成電磁力和弱相互作用力。

強子時期The Hardron Era

宇宙逐漸冷卻下來，夸克和反夸克能夠各自結(jié)合，形成稱為“強子”的粒子，包括種子（質(zhì)子和中子）、反重子和介子。

核合成時期Nucleosynthesis Era

隨著宇宙的冷卻，中子逐漸變成質(zhì)子。當(dāng)中子和質(zhì)子的數(shù)量比達到1：7時，中子和質(zhì)子會結(jié)合形成氫核。現(xiàn)有的氫原子中的98%都是在此時形成的。

輕子時期The Lepton Era

輕子（電子、中微子和它們的反粒子）數(shù)量多。在此階段結(jié)束時，正電子會和電子湮滅。

復(fù)合時期Recombination Era

宇宙的溫度下降到2700k，質(zhì)子和原子開始捕獲電子。大部分電子被束縛在原子中，無法再散射光子，光子開始以輻射的形式在宇宙中傳播，自由穿行，宇宙從此變得透明。

星系產(chǎn)生Formation of Galaxies

星系的形成，有一種是“自下而上”的理論，即物質(zhì)首先形成小尺寸的結(jié)構(gòu)，然后逐漸并合，最終形成大尺度的結(jié)構(gòu)——星系。

太陽系的形成Formation of the?Solar System

距今46億年前，一片龐大的氣體塵埃云（太陽星云）中，誕生了太陽系。

黑暗時期The Dark Age

這時的宇宙沒有恒星，只有氫、氦以及少量的輕核，如鋰等在引力的作用下，暗物質(zhì)坍縮成暗物質(zhì)暈，大質(zhì)量的暈中開始形成第一代恒星。這些恒星發(fā)出的光電離周圍的氣體。至此黑暗時代進入尾聲，直到宇宙被再電離。