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“FAST”總工藝師:建最牛“天眼” 此生沒白活

領先世界20年可探索地外文明和宇宙起源 精度比美國提高10倍

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記者爬1500級臺階拍攝的“FAST”。

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“FAST”總工藝師王啟明。(受訪者提供)

7月3日,直徑500米的球面射電望遠鏡“FAST”在貴州架設完成,它是目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡,同時也是我國迄今為止最大的天文工程。

如今,位于黔南的這口“大鍋”儼然成為全世界關注的熱點,它甚至成了改變中國天文史的標志物。

“FAST”是如何建成的?它究竟有多牛?又將為中國的天文科考帶來哪些深遠影響?昨日,廣州日報記者專訪了中國科學院國家天文臺“FAST”項目總工藝師王啟明。王啟明表示,這臺巨型射電望遠鏡創造了很多奇跡,體現了我國日臻進步的自主創新能力,未來也將推動我國在天線制造技術、微波電子技術、并聯機器人、大跨度結構、公里范圍高精度動態測量等高新技術的發展。

文/廣州日報記者肖歡歡(除署名外)

圖/廣州日報記者張丹(除署名外)

“太累了,我10點半才回到住處。”今年55歲的王啟明顯得很疲憊,嗓子有些沙啞。“FAST”建成后,他一直在協調后期調試工作,一天要開好幾場會。

按計劃,這口“大鍋”要調試兩個月,到9月底才投入使用。王啟明從2000年就參與了這個項目,至今已有16年,他把一生中最美好的青春年華都獻給了“FAST”。

“當年這個項目啟動時,我還是年輕小伙子呢,現在我兩鬢都有白頭發了”理工科出身的王啟明是個性格爽朗的人,但說起FAST,王啟明還是感慨萬千,他把這個項目比喻成一個慢慢長大的孩子。

為“FAST”選“家”風餐露宿

為什么要建這么一口“大鍋”?王啟明解釋,這就像用“鍋蓋天線”收看衛星電視一樣,鍋蓋的口徑越大,電視畫面就也越清晰。對于射電望遠鏡來說,口徑越大,看得越遠。全世界的射電天文學家都追求建造更大口徑的望遠鏡,以提高靈敏度。此前,世界上口徑最大的射電望遠鏡是美國阿雷西博射電望遠鏡,口徑300米。

近40年來,涉及天文學的10項諾獎獲獎成果中,6項是通過射電天文手段取得的。射電天文學,已經成為孕育重大天文發現的搖籃。

王啟明說,1994年4月,中科院國家天文臺就開始了選址工作。大口徑射電望遠鏡的選址,地貌要最接近天線鍋的形狀,這樣方便建造,工程量小,不用開山炸石,同時附近5至10公里范圍內不能有電磁波信號發射。

為了給這口“大鍋”安家,團隊成員幾乎把貴州的喀斯特地貌區“挖”了個遍,同時有兩路人馬獨立搜尋,初步確定了300多個候選洼坑。然后又通過計算機模擬工程填挖量,從中選出30多個實地考察,最后才選中了不大不小、深度合適、形狀很圓、適于施工建設的“大窩凼”,“大窩凼”的喀斯特地質條件可以保障雨水向地下泄流,不在表面淤積而損壞望遠鏡。

王啟明回憶說:“當時在戶外工作,風餐露宿,渴了就喝一口溪水,餓了,就吃幾口隨身帶的干糧,冬天饅頭硬得像石頭,牙都崩掉了一個。有時候,一個星期都不能下山。”

22年建起世界最牛“天眼”

起初,因為資金嚴重短缺,有人建議說口徑能不能減小一點,400米算了。但最終,科研團隊還是頂住了壓力,堅持不縮小口徑。2007年7月10日,FAST項目正式立項,王啟明記得,那一天,他流下了激動的淚水。

從此,王啟明過上了北京、貴州“兩點一線”的日子。挖臺址,治理邊坡,用了9個月;安裝圈梁,用了17個月。

2014年7月17日,團隊開始為FAST制造和安裝索網,是FAST工程的一大技術難點;這是世界上跨度最大、精度最高的索網結構,也是世界上第一個采用變位工作方式的索網體系,6670根主索和2225根下拉索完整地拼出了“天眼”的索網,很快索驅動工程相繼完工。索網建成,反射面安裝工程隨之開始。反射面是FAST望遠鏡的重要組成部分,共有4450塊的反射面板單元。2016年7月3日,當最后一塊反射面板安裝好時,王啟明懸了16年的心終于放下了。

“100多人奮戰了20多年了,有些都已經不在了,我們的團隊,老的有‘40后’,年輕的是‘90后’。”說起這些,王啟明有些哽咽,其實項目的每一步進展,都冒著風險,比如牽引“大鍋”的索網,材料是含碳元素85%的高碳鋼,它具備高彈性、抗拉伸、抗疲勞的特征,材料的一些要素,是國家標準的2.5倍。

“這種材料在國內沒人能生產出來。”為了攻克這種鋼索技術,王啟明和團隊一共用了兩年時間,先后找了國內頂級的鋼索廠和幾所高校,才把鋼索問題解決。

為火星探測奠定基礎

王啟明介紹,FAST的兩大科學目標是巡視宇宙中的中性氫和觀測脈沖星,前者可研究宇宙大尺度物理學,以探索宇宙起源和演化,后者可研究極端狀態下的物質結構與物理規律。

由于靈敏度提高,FAST能看到更遠、更暗弱的天體,通過探測星際分子、搜索可能的星際通信訊號,尋找地外文明的概率將提升5至10倍。去年曾引起轟動的引力波,就是科學家利用阿雷西博射電望遠鏡發現的,并獲得了諾貝爾物理學獎。中國500米直徑大射電望遠鏡將為自然科學,尤其是物理學和天文學領域的研究提供一個全新平臺。此外,FAST也將為我國火星探測等深空研究奠定重要基礎。

據悉,美國阿雷西博望遠鏡50多年一直無人超越,但如今FAST跟它相比,綜合性能提高了約10倍。

FAST靈敏度究竟有多高?王啟明打了個比方:“假設你在月球上打電話,FAST可以探測到你的信號。”

王啟明告訴廣州日報記者,這次FAST所使用的材料和工藝,基本上都是中國產的,充分體現了中國的自主創新能力。“做了這么一件有意義的事件,感覺這輩子也算沒白活。從目前看在世界上還是比較牛的。下一步,需要我們的科學家把它投入使用了。”

王啟明說,外國科學家參觀后也感到很震撼。“他們都很期待我們這個全世界最先進的天文設備能成為人類觀測外太空的利器,有新的科研成果出來。”

而中國科學院國家天文臺副臺長鄭曉年也表示,作為世界最大的單口徑望遠鏡,FAST將在未來20~30年保持世界一流設備的地位。

對話

FAST望遠鏡領先國際20年

廣州日報:7月3日,射電望遠鏡的主體已經安裝完畢,為何調試要用兩個多月,而不立即投入使用?

王啟明:你在施工現場也能看到,這是個很大的工程,變電站和箱式變壓器就有7個。現在只是把硬件完成了,因為裝備是由很多家單位一起合作研制的,有做測量的、做控制的、有做機電的,安裝完成后要先空載測試,然后再進行聯合調試。

另外,對這種工藝系統的驗收,要求是非常嚴格的。就跟房屋裝修一樣,要趁著裝修公司還沒走,要盡早排查和解決問題。

“天眼”并非“死眼”

廣州日報:這個“觀天巨眼”建設前后一共花了13年時間,他的施工難度難在哪里?

王啟明:望遠鏡反射面總面積為25萬平方米,相當于30個足球場那么大。它具有目前世界上跨度最大、精度最高的索網結構。僅圈梁、索網和支撐饋源艙的6座高塔就用掉1萬多噸鋼材。盡管反射面板才1毫米厚,也用掉2000多噸鋁合金。

此外,望遠鏡在現場施工上也有很多困難。首先是臺址現場環境的約束。現場是一個喀斯特洼地,最高落差有150米,不能用大吊車,吊車過不去。

再次,我們建設的這只“天眼”并非“死眼”,它是可以動的。根據觀測的方向,它會拉扯索網來變形天線鍋。如同人類轉動自己的眼珠,這樣遙遠的太空對它來說將不存在方向上的死角。美國阿雷西博望遠鏡,它是固定在地面上不動的。所以,我們的建設難度就要大很多。

廣州日報:這個“眼珠”是如何轉動的?

王啟明:6索并聯驅動控制系統是FAST項目核心部件饋源艙的主控制系統,它可以控制饋源艙進行姿態位置調整,從而精確地達到反射面的焦點位置,使饋源艙獲取信號能力達到最佳。就像人的睫狀體一樣,能夠調節眼球的焦距使眼球能清晰地看清遠近物體。

此外,與索網相連的2000多個小電機控制著整個變形過程,6條400多米的鋼索吊起30噸重的饋源艙,移動范圍可達200米。在移動過程中,每一部分的位移都要控制在毫米級。射電望遠鏡建成后,將成為中國天文研究和自然科學研究的利器,不光是現在,未來20年內都將保持世界領先地位。

不懼壞天氣但怕電磁干擾

廣州日報:這口“大鍋”不要弄個蓋子防止雷擊等惡劣天氣嗎?

王啟明:作為射電望遠鏡,FAST的基本原理和人們常見的鍋式衛星天線相差無幾,只不過這口大鍋接收的,是非常微弱的宇宙信號。它主要由反射信號的拋物面和接收信號的饋源艙兩大部分組成。通過“鍋”的反射聚焦,把幾平方米到幾千平方米的信號聚攏到一點上。如果搞個鍋蓋,那它的功能豈不是喪失了?

對于雷電等惡劣天氣,我們有防雷系統,對于冰雹,我們有防雹炮,把冰雹打碎,打成小塊。還有下雪的問題,雪對貴州影響很小,這里一年只有幾天,氣溫在零攝氏度以下。總體上,我們考慮是很周全的。

廣州日報:射電望遠鏡對電磁波干擾有很高要求,是不是以后周圍幾公里內都不能有電磁信號?

王啟明:你說對了,這里對電磁波信號干擾要求很嚴。貴州省剛剛專門為我們這個設備立了法。要求距離FAST項目5公里以內的基站全關掉。現場不能用手機、數碼相機,汽車不能用電子打火,包括過來的中巴,都要燒柴油車才行。

廣州日報:這個射電望遠鏡的設計壽命是多長?

王啟明:設計壽命是30年,國外的望遠鏡大多都超期服役。阿雷西博望遠鏡也早就超期服役了,到期后,經過一些升級改造,還是可以繼續使用的。整個FAST工程造價大約是11億元。

特寫

實地探FAST

“瘋狂”的天坑

FAST項目位于貴州省黔南州平塘縣克度鎮綠水村的大窩凼。隨著FAST選址的確定,這座只有30多萬人口的小縣城,變得熱鬧異常。

時至今日,越來越多的旅游者涌入這座小縣城,目的就是一睹能夠聽到天外來客聲音的“超級大鍋”。

在平塘,當地人更多地稱呼FAST為“天坑”或者“大射電”,頭一種稱呼形容了它的形狀,而后一種則更有“文化”。無論是哪一種稱呼,凡是外地人提到FAST,當地人總會遙指向大山深處,那里距縣城有一百多公里。

“天坑”影響力

在距離“天坑”還有十多公里時,兩棟黃色的建筑在平地上拔地而起,與周圍的低矮民房相比突兀異常。

“一棟是文化園,另一棟是一家五星級酒店。”司機王師傅介紹說,由于“天坑”即將竣工,所以其他的配套設施都在緊鑼密鼓地趕工趕點。“天坑”帶來的旅游效應將會非常突出。

在塵土飛揚的路邊,行人都可以感受到“天坑”強大的影響力:無論是賣飲料的小店,還是餐飲店,所有的標識牌上均是將“天坑”的圖片作為底色,頗為顯眼。記者了解到,在周邊的航龍村、塘邊鎮也將開發眾多的旅游項目。

“天坑”的巨大影響力,讓農業人口占90%以上的平塘縣,看到了其將會帶來的巨大經濟效益。彼時,曾經的農業縣也將華麗轉身為“旅游大縣”。

崇山峻嶺現“天坑”

從平塘縣城到“天坑”所在的克度鎮,100多公里全部是省級公路。盡管路面頗為平坦,但由于全部都是環山公路,因此,路邊偶爾還是會見到大小不一山上落下的碎石。

而從省道到達克度鎮之后,仍要行駛十多公里的真正山路。不但路面崎嶇不平,而且碎石也多了起來。

即便如此,在昨日這個非周末時間,仍然有不少私家車找尋著前往“天坑”的道路。

“這條路能到FAST嗎?”不少車主在山路上顛簸了幾十分鐘,忍不住下車詢問過往的車輛。當得到了肯定的答復之后,車主又踩著油門沖上了崎嶇的山路。

在崎嶇山路旁,是一個個頗為類似“天坑”的深谷。在深谷的平地上,可以看到有不少人家仍居住于此。

“在‘天坑’周圍五公里范圍內,所有的村莊都遷了出去,而且就連通訊基站也不能設置。”一位當地村民介紹說,“天坑”的到來給靠天吃飯的他們帶來的新的“機遇”,他們也希望能夠依托“天坑”過上更加優越的生活。

行至崇山峻嶺間,王師傅也開始專心起來,坑坑洼洼的山路由不得他半點分神。七轉八轉之后,當看到一座高聳的大山時,王師傅還是忍不住提醒道:“在那座山的后面,就是‘天坑’。”

1500級臺階40層樓

由于要趕工期,在進入“觀景臺”的道路開始封閉。從封閉的路口到“觀景臺”的工程區,需要行走將近五公里的路程,然后才能進入到轟鳴聲不斷的工地上。

由于“天坑”整體仍然沒有竣工,到達工地的游客,則扶著臨時搭建的腳手架,一步步拾級而上前往工程中的“觀景臺”。

“兩邊都有上‘觀景臺’的臺階,一共有1500級臺階,每級臺階是0.15米。”在工地上做工的一位工人告訴記者,由于他的工作是給臺階加固,每天需要這樣沿著臺階爬上爬下四次。

記者粗略估算了一下,以每邊臺階750級計算,從工地到達“觀景臺”的高度高達112.5米,而以每層樓的高度為2.8米來計算,從工地平臺到“觀景臺”就有40層樓的高度。

盡管如此,仍然有不少游人來到了“觀景臺”,終于看到了位于山谷之中的“天坑”FAST。記者在“觀景臺”俯瞰發現,這口FAST的底部,有許多白色的小柱子整齊地排布著,中間位置則是完全類似于民用的“天線鍋”,不同的是,在“鍋”的四周等距排列著六個聳立的天線塔。

游人在一睹“超級大鍋”的真容之后,便開始陸陸續續地往下走。

“天坑”給人們帶來極大的旅游熱情,人們開始幻想,它能否聽到“天外來客”的聲音?

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