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中国天眼:人类工程史上的奇迹

时间:2018-07-11 分类:海外文摘·文学版

王世杰

探索太空的锐器

在贵州黔南苍翠的群山中,镶嵌着一只“巨眼”。那银白色的“巨锅”显得那样的庄严安详,“锅壁”上均匀镶嵌的三角状反射面板犹如天神的盔甲,“巨锅”四周高耸的六座钢塔犹如天神守护天际的长矛。

500米口径,这是什么概念?25万平方米,有30个足球场那么大,它是人类射电望远镜建造史上的奇迹,是人类工程史上的奇迹。

500米口径球面射电望远镜( FAST)这只巨大的“天眼”,可以窥探深空中的奥秘和星际之间互动的信息,可以观测暗物质,测定黑洞质量,甚至搜寻可能存在的地外文明。它的众多独门绝技使它成为世界射电望远镜中的佼佼者。与目前世界上几台口径百米以上的同类望远镜相比,在灵敏度和综合性能上都提高了十倍。从2016年9月25日起,“天眼”方圆五千米之内成为“静默区”。它睁开“慧眼”,每天都在专注地捕捉来自宇宙深空的信号。

它那庞大的身躯占满了整个山谷,成千上万吨钢铁铸成的索网支撑着“中国天眼”的崛起。索网总重量约1300余吨,主索截面一其有16种规格,截面积达280至1319平方毫米;覆盖在索网上的4450块三角型反射面板,每块边长为10.4米至12.4米,厚仅1.3毫米。

经历了漫长的二十二年,经过科学家、工程技术人员的共同努力,FAST终于在2016年9月25日落成启用。

中国为什么要花12亿人民币来建造这个庞然大物呢?它究竟有什么作用?FAST用途广泛,可以接收137亿光年(1光年= 9460730472581千米)距离的无线电波信号,可以聆听来自太空深处的声音,可以在民用、军用和国防科研中做出其他类型望远镜力所不及的贡献。如果把FAST比喻成一口“大锅”,那么,这个“锅”重达5600吨,“锅沿”边部有11米宽,绕行“锅沿”一圈需45分钟。那个接收最初信号反馈的仓储——馈源仓,重达30吨。当FAST运转工作时,要把馈源仓抬升到超过“锅沿”的高度。

FAST是世界上口径最大、最具威力的单天线射电望远镜,与德崮波恩100米口径望远镜相比,灵敏度高出十倍;与20世纪十大工程之首的美国阿雷西博305米口径望远镜相比,其综合性能也高出十倍。有了FAST,人类就可以观测来自脉冲星、中性氢和黑洞等的宇宙信息,有更大的机会捕捉外星生命的信号。脉冲星的信号频率与手机频率差不多,如果人类能够接收到银河系外脉冲星的信号,就相当于接了一个10万光年之外的电话。

从“跟跑”到“领跑”

FAST项目从立项、选址、建成到启用,经历了二十多年的艰难历程。2006年12月,“中国天眼”最终落户黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村大窝凼。

2006年12月16日15时整,在大窝凼举行奠基仪式。

2011年1月23日,500米口径射电望远镜台址开挖仪式,在平塘县克度镇绿水村大窝凼举行。

2011年3月25日,FAST工程正式开工建设。当天,台址开挖主体工程率先启动,大寓凼在大型机械的轰鸣声中沸腾起来。虽然在选址时着重考虑过日后动工时地基开挖量尽可能少的方案,但毕竟是一个超级工程,在几十万平方米面积的岩溶地貌上开挖台址,开挖工程还是经过了漫长的十九个月,2012年12月31日台址开挖工程顺利竣工。随后又按设计要求,在“窝”中打了600个孔以增强洼地内的渗水能力。

“大锅”主要由圈梁支撑塔、鋼圈梁、钢索网,以及安装在索网上的相似三角型反射单元组成。“锅”中心的“眼珠”——馈源仓,是由位于“锅”身之外的六座高达138米至168米的钢结构支撑塔连接到仓壁的“手臂”——支撑索上,使之能自如地移动。

又是一年过去了,“天眼”的建设进入佳境。在2014年新年钟声放响的前夜,500米口径,近1.6千米的碗形钢圈梁胜利合拢。

新年伊始,没有休假,也没有时间联欢,大窝凼工地上的建设大军正向技术要求严苛的大跨度素网安装、馈源仓支撑塔及其连接索和连接光缆的建造发起冲锋。

在中国,用于斜拉桥上的钢索顶级强度标准为200兆帕,抗200万次弯曲,而编织“天眼”索网的钢索要求强度则为500兆帕,抗200万次弯曲。负责钢索强度抗疲劳试验的科研人员,经过近一年的技术攻关,与广西柳工集团有限公司合作,研制出满足组成索网所需的钢索。据计算,“天眼”索网的使用寿命将超过一百年。

随之,捷报频频传来:2014年11月30日,馈源仓支撑塔全部建成并通过验收;2015年2月4日,覆盖面积达25万平方米的大跨度索网安装完成。

三角形反射面板是接收电波的关键组成部分,整个“天眼”所需反射面板由4450块边长10.4米至12.4米的相似三角形单元组成,每个反射面单元又由100块边长1米左右的相似三角形(子单元)铝合金面板组成;也就是说,这只足有30个足球场大的“巨眼”是由445000块厚度为1.3毫米的铝合金面板组成。

为了将这只“巨眼”拼装得天衣无缝,反射面单元有484种几何尺寸,而子单元的几何尺更高达3388种,还要用140多种方式将铆接部件组合安装。

每个子单元的等边三角形交点孔位精度,要求不得超过0.1毫米至0.15毫米。每块面板上扎有细密的孔洞,其作用是透风(减少风负载)和透光。

2015年8月2日清晨,武昌船舶重工集团公司的安装团队正在为“天眼”安装反射面:反射面单元拆开了,里面的100块面板形状看起来一模一样,每个子单元都有各自独特的“身份证”编码。这些子单元大部分都是边长1米左右的三角形结构,相似却不相同,它们分有七个类型,每种类型的边角和中心区域都有细微差别,最小差异只有5毫米,安装顺序和摆放位置不容有丝毫的差错,安装精度误差不得超过2毫米。

早在2013年底,武昌船舶重工集团有限公司就承接了反射面板的安装工程。在五百多天的日子里,他们针对反射面单元吊装跨度大、高低悬殊、单元间拼接精度高等复杂的现场条件,通过技术创新,设计科学、合理的辐射式缆索吊和转运机车联合完成吊装方案,安装时他们大显身手,一次性安装完毕。endprint

在反射面单元吊装拼板工程生产主管周永和的指挥下,小红旗摇动之处,只见那铝合金管桁架拼装为一体的第一块三角形反射单元缓缓升起,慢慢移动。毕竟是吊装第一块三角形反射面单元,现场的每个人心都提起来了,生怕发出声音会影响吊装工匠们的操作……就在这样的气氛下,15时51分,第一块FAST工程三角形反射面单元安装成功。

随后,现场的工匠凭着他们过硬的本领和高度的责任感,精准地安装着一块又一块面板单元,并不断刷新安装纪录,从一天安装22块提高到25块,最高的一天安装了37块。

时光如白驹过隙,十一个月的FAST三角反射面安装作业匆匆而过,山洼中呈现出一口银白色的“巨锅”,它的底部中心只剩下一个空白点,那就是最后一块重427公斤,面积达120平方米的反射面单元的“安身”之处。

世界第一

2016年7月3日10时35分,大窝凼工地上,中国科学院国家天文台台长、FAST项目工程经理部经理严俊先生一声令下,最后一块反射面单元起吊。11时29分,第4450块FAST三角形反射面单元安装完毕,巨锅终于“铸”成。全部安装工作提前一个月,并以零事故的骄人成绩,圆满完成了高质量的反射面安装作业。此时,山谷里回响着鼎沸的人声——那是科学

家、技术员、工匠们为之自豪的欢呼声。

在反射面单元安装的同时,馈源仓停靠平台的施工也在紧锣密鼓地进行着,最终于2015年11月21日成功起仓。馈源仓是“天眼”的“眼珠”,近25万平方米的反射面捕捉到的天体信号都将聚焦到仓中。

在“中国天眼”之前,建于20世纪70年代的美国阿雷西博射电望远镜的馈源平台重量超过千吨.如果中国照搬其设计方案,500米口径的馈源平台将重达数千吨,这样成本太高。于是科学家们研发出将馈源仓缩减为30吨并采用柔索支撑的安装技术。它的定位精度达到48毫米;通过二级控制即利用馈源仓里的精调并联机器人,控制精度小于或等于10毫米。这个精度可谓“世界第一”。

2016年7月3日,随着最后一块三角形反射叫单元的吊装就位,历时五年三个月零八天,“中国天眼”主体工程宣告正式竣工。2016年9月25日,在雄伟的“中国天眼”现场,时任国务院副总理刘延东、时任贵州省委书记陈敏尔和中国科学院院长白春礼等领导人,共同启动FAST落成启用球。

中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平发来贺信,向参加研制和建设的广大科技工作者、工程技术人员、建设者表示热烈的祝贺和诚挚的问候。习近平在贺信中指出,天文学是孕育重大原创发现的前沿科学,也是推动科技进步和创新的战略制高点。500米口径球面射电望远镜被誉为“中国天眼”,是具有我國自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。它的落成启用,对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。

摘自贵州人民出版社《中国天眼》一书endprint