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受北京研究機構委托,飛暢科技參與世界最大單口徑射電望遠鏡FAST項目,研發(fā)Multiturn absolute encoder,Rotary Encoder...等多種傳感器的高速電信號到電磁屏蔽室的光傳輸轉換設備,解決了原來(lái)一直困擾的傳感器電信號進(jìn)電磁屏蔽室前濾波后信號畸變的難題與一般的光電傳輸方案在高速率電信號側經(jīng)光電轉換后時(shí)鐘的時(shí)延匹配失敗的難題;
飛暢科技多年的光傳輸領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)積累，能為中國領(lǐng)先于世界的科技項目盡一份綿薄之力而感到欣慰。
解密世界最大單口徑射電望遠鏡“天眼”(FAST)(神秘的地球配圖)
(神秘的地球報道)據南方都市報：“警告你們：不要回答!不要回答!不要回答!你們的方向上有千萬(wàn)顆恒星。如果回答，發(fā)射源將被定位，你們的行星系將遭到入侵，你們的世界將被占領(lǐng)!不要回答!不要回答!不要回答!”這是科幻小說(shuō)《三體》中，女主人公所在的“紅岸基地”，偶然收到的一通來(lái)自外星文明的無(wú)線(xiàn)電波。
其實(shí)，接收宇宙無(wú)線(xiàn)電波的現實(shí)版“紅岸基地”，正在貴州省平塘縣克度鎮金科村“大窩凼”洼地建設。當前世界最大單口徑射電望遠鏡“天眼”(FAST)建設項目已進(jìn)入沖刺階段。建成后，這架500米口徑的球面射電望遠鏡接收面積相當于30個(gè)足球場(chǎng)。
2015年12月26日，FAST總工程師助理兼反射面系統副總工姜鵬，在北京天文館2015年公眾科學(xué)講座上透露了“天眼”是如何搭建起來(lái)的，以及在建設中如何克服相關(guān)技術(shù)挑戰。據悉，與被評為人類(lèi)20世紀10大工程之首的美國阿雷西博望遠鏡相比，“天眼”的綜合性能提高約10倍，整個(gè)工程預計于2016年9月竣工。
定位了300多個(gè)洼地最終花落貴州“大窩凼”
很多人也許會(huì )感到奇怪：“天眼”為何選址地形復雜的貴州省?據姜鵬介紹，為了給“天眼”找到一個(gè)合適的“眼窩”，科學(xué)家們前前后后花了十多年的時(shí)間。1993年國際無(wú)線(xiàn)電聯(lián)大會(huì )上，包括中國在內的10國天文學(xué)家提出建造新一代射電“大望遠鏡”的倡議，旨在回溯原初宇宙，解答天文學(xué)中的眾多難題。
1995年底，射電“大望遠鏡”中國推進(jìn)委員會(huì )提出利用貴州喀斯特洼地建造球反射面的“喀斯特工程”概念。經(jīng)過(guò)反復篩選，最終在平塘縣克度鎮找到了“大窩凼”———最適合碩大“天眼”的深深的“眼窩”。到了2007年，項目正式立項并確定選址。2011年3月，FAST工程在貴州開(kāi)工建設。
選址耗費如此長(cháng)的周期，這是因為項目組一直在琢磨，怎樣才能把工程開(kāi)挖量降到最低。通過(guò)衛星搜索，工程師們在全國定位了300多個(gè)洼地。通過(guò)層層篩選，人們發(fā)現，位于黔東南的“大窩凼”洼地形狀大而圓，與FAST造型最接近。除此之外，這篇洼地附近一帶人煙稀少、寧靜的曠野環(huán)境還有利于減少電磁波對FA ST帶來(lái)的干擾。綜合這些因素，“眼窩”最終于2007年花落“大窩凼”。
在復雜地形中“鑄造”一口500米口徑的“大鍋”
與一般的鍋式衛星天線(xiàn)工作原理類(lèi)似，FA ST由反射信號的拋物面和接收信號的饋源兩大部分組成。利用拋物面(俗稱(chēng)“鍋”)的反射聚焦，把信號聚攏到一個(gè)點(diǎn)上。這里的拋物面，從形狀上來(lái)看就是一口巨大的“鍋”。只不過(guò)它所盛裝的，是“天外來(lái)客”們發(fā)出的信號。
這一次施工的地點(diǎn)位于崎嶇的山區，如何在復雜的地形中鑄造一口口徑500米的“大鍋”，確實(shí)讓專(zhuān)家們費足了腦筋。各路人馬獻計獻策，曾有人提議采用分離式技術(shù)，下面采用密密麻麻的剛性支架支撐。不過(guò)最終，“索網(wǎng)”方案得到采納。
按照“索網(wǎng)”方案，“天眼”工作的時(shí)候能夠跟隨天體轉動(dòng)，跟蹤掃描射電源?？茖W(xué)家們首先通過(guò)控制6根鋼索，帶動(dòng)饋源艙在距離地面140-180米、直徑為207米的球冠面上運動(dòng)。接著(zhù)通過(guò)2225個(gè)促動(dòng)器拉扯鋼索網(wǎng)，帶動(dòng)網(wǎng)上的4450個(gè)反射面板來(lái)使“天眼”聚集。如此一來(lái)，天眼就如同人的眼睛一樣可以自由轉動(dòng)。反射面板接收到射電電磁波信號后，會(huì )將宇宙信號匯聚到饋源艙。
拼接反射面面板全靠工程隊伍空中作業(yè)
去年2月4日，FAST索網(wǎng)已完成制造和安裝?，F在，如果你有機會(huì )到項目工程實(shí)地參觀(guān)，可以看到一張由6000多根鋼索編織而成的巨大“漁網(wǎng)”。但姜鵬卻說(shuō)，看著(zhù)壯觀(guān)的大網(wǎng)，編織起來(lái)可并非易事。
據了解，整個(gè)索網(wǎng)共計有2225個(gè)節點(diǎn)，索網(wǎng)安裝跨度極大。工程隊伍采用空中作業(yè)的方式，將每一個(gè)索網(wǎng)和反射面面板吊起，經(jīng)過(guò)精確的位置測定后完成拼接，面型的控制偏差須在RMS 5mm以?xún)?。為保證精度，專(zhuān)家們特別打造了一間恒溫室生產(chǎn)拉索。
更大的難題來(lái)自溫度變化給鋼柱帶來(lái)的形變，50℃的溫差就意味著(zhù)300毫米的變化。姜鵬介紹，為了適應山勢起伏，支撐反射面結構的鋼柱高低各不相同。為了防止變形不均勻，環(huán)梁與鋼柱的連接處加上滑移支座。這樣支撐環(huán)梁就可以在支撐柱上面自由的伸縮，更加均勻地變形了。
這好比是給變形留出了緩沖的余地，最大變形距離可達0 .47米。如此一來(lái)，打通了“視神經(jīng)”的“天眼”就可以做到靈活自如地變換對焦。值得一提的是，受自重和風(fēng)載引起形變所制，傳統全可動(dòng)望遠鏡的最大口徑一般只有100米。采納索網(wǎng)結構的500米口徑“天眼”輕松突破百米極限，不僅開(kāi)創(chuàng )了巨型射電望遠鏡建造的新模式，且投入使用后的靈敏度將為目前世界上最大的美國阿雷西博天文望遠鏡的3.25倍。
“天眼”建成后將搜索地外理性生命
從醞釀至今，即將完工的“天眼”項目已經(jīng)走過(guò)20多個(gè)年頭。在投入使用之后，它將會(huì )在哪些領(lǐng)域大顯身手?中科院國家天文臺射電部首席科學(xué)家李菂在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)表示，“天眼”的主秀場(chǎng)仍是天文領(lǐng)域，比如：探測宇宙中的遙遠信號和物質(zhì)、開(kāi)展從宇宙起源到星際物質(zhì)結構的探討、對暗弱脈沖星及其他暗弱射電源的搜索、高效率開(kāi)展對地外理性生命的搜索等。
FAST工程常務(wù)副經(jīng)理、國家天文臺副臺長(cháng)鄭曉年在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)也說(shuō)，建成后的“天眼”將有能力巡視宇宙中的中性氫、探測星際分子、觀(guān)測脈沖星、搜尋星際通訊信號。借助這只敏銳的大眼睛，人類(lèi)在尋找地外文明的路上又向前邁進(jìn)了一步。
去年12月初，法國圖盧茲(Toulouse)國家科學(xué)研究中心(CNRS)以及天體物理學(xué)和行星學(xué)研究所的天體物理學(xué)家皮埃里克·馬丁(Pierrick Martin)，使用N A SA的費米伽馬射線(xiàn)空間望遠鏡在銀河系之外、距離地球163000光年的其他星系中，發(fā)現了第一顆伽馬射線(xiàn)脈沖星，并創(chuàng )下已知最明亮伽馬射線(xiàn)脈沖星的新紀錄。
而探測河外脈沖星，本身就是FAST的立項目標之一。經(jīng)中科院國家天文臺測算，“天眼”的索網(wǎng)的變形次數大約為100多萬(wàn)次，服役年限為30年。李菂對FAST未來(lái)的表現很有信心，“待建成后，FAST將在未來(lái)20年內保持世界一流地位。”
6座百米高的支撐塔
通過(guò)控制6根鋼索，帶動(dòng)饋源艙在距離地面140—180米、直徑為207米的球冠面上運動(dòng)
饋源艙重約30噸(包括星型框架、Stewart平臺、艙罩等設備)
通過(guò)2225個(gè)促動(dòng)器拉扯鋼索網(wǎng)，帶動(dòng)網(wǎng)上的4450個(gè)反射面板來(lái)使“天眼”聚集
“天眼”如何躲避風(fēng)雨雷電
“天眼”建在貴州“天坑”中，那么大一個(gè)龐然大物，又是如何躲避風(fēng)雨雷電?
雨水的因素，科學(xué)家們在選址的時(shí)候，就已經(jīng)考慮到了。姜鵬表示，并不僅僅是形狀符合要求，就把“眼窩”的位置確定在貴州。更復雜的還在后面，進(jìn)入實(shí)地勘探階段，項目組需要對洼地進(jìn)行深入的地質(zhì)評價(jià)。
“整個(gè)洼地打了至少600多個(gè)孔，簡(jiǎn)直成了一個(gè)大篩子。”喀斯特地貌獨有的成熟的地下暗河網(wǎng)絡(luò )與數量眾多的溶洞帶來(lái)了驚喜：這賦予了“天眼”天然的落水功能，一旦下雨，水會(huì )很快地向地下滲透，避免在望遠鏡臺址積水，對電子設備造成破壞。
截至去年12月，反射面安裝工程已經(jīng)過(guò)半，“天眼”的雛形初步顯現：巨大的山谷被一個(gè)由鋼索織就的半球形“網(wǎng)兜”填滿(mǎn)，約一半的“網(wǎng)兜”被銀色的反射面板覆蓋著(zhù)，在四面青山的映襯下，猶如一塊明晃晃的鏡子。
姜鵬提醒，近距離觀(guān)察會(huì )發(fā)現，看似光溜的鋁合金主動(dòng)反射面面板上其實(shí)密布著(zhù)無(wú)數孔洞。原來(lái)，這些密布的小孔是用來(lái)減少風(fēng)負載，從而降低超過(guò)4-5米每秒的風(fēng)速給“天眼”探測工作帶來(lái)的影響。
與此同時(shí)，孔洞還能提高透光率，讓天線(xiàn)面的草木得以生長(cháng)，避免水土流失。“水土保持非常重要，不然一旦水土流失嚴重，洼地遇到下雨就整個(gè)變成了泥塘。”姜鵬表示，綠化雖好，但肆意生長(cháng)的藤蔓如果爬到反射面板上，同樣會(huì )對探測工作造成干擾。目前，項目組團隊定期會(huì )和工人師傅一起清理過(guò)度生長(cháng)的雜草。
除此之外，貴州當地惡劣的氣候條件也是很多人關(guān)心的問(wèn)題。極端的雨雪、冰雹和雷暴天氣，“天眼”能扛得住嗎?對此，姜鵬表示“天眼”已做了相應的準備，例如：為避雷，給所有金屬設備整體接地，一旦遭遇雷電能很快消散。“而且按經(jīng)驗測算，極端天氣在一年中所占的比例非常小(通常在10天左右)，因此影響不會(huì )太大。”
射電望遠鏡的前世今生
天文望遠鏡的發(fā)展經(jīng)歷了從小口徑到大口徑，從短到長(cháng)的演變?，F在來(lái)看，天文望遠鏡的發(fā)展主要集中在兩個(gè)方向，一個(gè)是“上天”，一個(gè)是“占地”。由于地球大氣的影響，大部分短波長(cháng)的紫外線(xiàn)和X射線(xiàn)都無(wú)法觀(guān)測，所以就只能利用航天技術(shù)將望遠鏡送到外太空，其中開(kāi)普勒望遠鏡、哈勃空間望遠鏡都是此類(lèi)。所謂“占地”指的是地面望遠鏡，比如我國目前正在建設中的射電望遠鏡FAST。
射電望遠鏡作為天文望遠鏡的一種，其發(fā)展過(guò)程同樣代表了人類(lèi)探索宇宙的進(jìn)步。直到1873年，麥克斯韋的著(zhù)作《電磁理論》問(wèn)世，系統全面地闡述了電磁場(chǎng)理論，人們才恍然大悟：原來(lái)光也是一種電磁波，并且在長(cháng)長(cháng)的電磁波譜上，可見(jiàn)光只占極小一部分。
進(jìn)入20世紀，科學(xué)家在測量地球電離層的高度時(shí)發(fā)現：波長(cháng)短于60米的電磁波在穿過(guò)電離層時(shí)，幾乎全部一去不回頭。這一現象讓研究者們腦洞大開(kāi)：既然波長(cháng)短于60米的電磁波能從地球毫無(wú)遮擋地沖向宇宙，反過(guò)來(lái)，來(lái)自宇宙的類(lèi)似電磁波或許也能穿過(guò)大氣層抵達地球。
就這樣，人類(lèi)觀(guān)測宇宙無(wú)線(xiàn)電的大幕就此拉開(kāi)。1931年，美國貝爾實(shí)驗室用天線(xiàn)陣接收到了來(lái)自銀河系中心的無(wú)線(xiàn)電波。從此，射電天文學(xué)正式誕生了。此后數十年，脈沖星、類(lèi)星體、宇宙微波背景輻射和星際有機分子相繼“浮出水面”。
誕生80多年來(lái)，射電望遠鏡本身也經(jīng)歷了迅速的發(fā)展。1955年，英國在曼徹斯特的焦德雷爾班克觀(guān)測站建成可轉動(dòng)的口徑76米的洛弗爾射電望遠鏡。1972年，當時(shí)世界最大的全向轉動(dòng)射電望遠鏡德國波恩望遠鏡建成，拋物面天線(xiàn)直徑達100米。
1963年，阿雷西博射電望遠鏡在中美洲波多黎各島上建成，初建口徑305米(后擴建為350米)，目前已超齡服役的阿雷西博仍是世界上已落成的最大單面口徑射電望遠鏡。
1974年，為慶祝改造完成，阿雷西博望遠鏡向距離地球2.5萬(wàn)光年的球狀星團M13發(fā)送了一串由1679個(gè)二進(jìn)制數字組成的信號，稱(chēng)為阿雷西博信息。在圖案的最下方還附注著(zhù)人類(lèi)接收和發(fā)送無(wú)線(xiàn)信號的“太陽(yáng)灶”圖像。
目前，除了中國在建的“天眼”FAST工程，在兩年之后全稱(chēng)為“平方公里陣列射電望遠鏡”的SKA項目也將會(huì )開(kāi)工。畢業(yè)于北京大學(xué)天文學(xué)系，現在澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織天文與空間科學(xué)研究所(CASS)進(jìn)行博士后研究的青年天文學(xué)者代實(shí)，正是SKA項目的成員。
據他介紹，SKA將由建造在澳大利亞和南非的數千個(gè)較小的天線(xiàn)組成，約2030年投入使用，有望成為人類(lèi)有史以來(lái)最大的望遠鏡。
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