為“地球巨眼”裝上“中國(guó)之眸”

全球最大射電天文望遠(yuǎn)鏡陣列首臺(tái)中頻天線吊裝——

為“地球巨眼”裝上“中國(guó)之眸”

光明日?qǐng)?bào)記者 崔興毅

9月20日，中國(guó)電科牽頭研制的全球最大射電天文望遠(yuǎn)鏡陣列首臺(tái)中頻天線在位于河北石家莊的中國(guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院正式吊裝。這是國(guó)際大科學(xué)工程平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“SKA”）進(jìn)入建設(shè)階段以來(lái)建成的首臺(tái)天線，標(biāo)志著中國(guó)在SKA核心設(shè)備研發(fā)中發(fā)揮了引領(lǐng)和主導(dǎo)作用。

“SKA將為人類認(rèn)識(shí)宇宙提供重要機(jī)遇，開(kāi)啟人類探測(cè)宇宙的新紀(jì)元?！敝袊?guó)電科首席科學(xué)家鄭元鵬表示，SKA肩負(fù)著人類了解宇宙和生命奧秘的使命，將致力于揭示全球各國(guó)和人類共同關(guān)心的一些基本問(wèn)題，如探測(cè)宇宙、星系的起源和演化，尋找更多的星系，探尋孕育生命的新?lián)u籃，搜索外星生命等。

“地球巨眼”洞悉宇宙奧秘

“SKA項(xiàng)目始于20世紀(jì)90年代初，是人類有史以來(lái)在建的最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，也是多國(guó)合作、共同出資的國(guó)際大科學(xué)工程?！敝袊?guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院總監(jiān)馬英昌介紹，全球約20個(gè)國(guó)家上百所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的天文學(xué)家與工程師參與項(xiàng)目研發(fā)，其組成陣列的射電望遠(yuǎn)鏡總接收面積達(dá)1平方公里，相當(dāng)于140個(gè)足球場(chǎng)的面積。

據(jù)了解，SKA在澳大利亞、南非等8國(guó)設(shè)有臺(tái)址，在約3000公里的廣袤荒野，將建設(shè)約3000面天線，組成1平方公里大的“地球巨眼”，靜伏于地球表面觀測(cè)宇宙深處最神秘的聲音。SKA天文臺(tái)宣傳外聯(lián)部主任威廉·加尼爾告訴記者，作為人類歷史上建造規(guī)模最大的射電望遠(yuǎn)鏡，SKA建成后將成為地球上最大的科學(xué)設(shè)施，比目前最大的射電望遠(yuǎn)鏡陣列靈敏度高50倍，巡天速度高10000倍。

“中國(guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院作為SKA天線結(jié)構(gòu)工作包聯(lián)盟的牽頭單位，聯(lián)合來(lái)自南非、意大利等國(guó)的科研及工業(yè)機(jī)構(gòu)，將共同完成SKA天線結(jié)構(gòu)工作包天線的建設(shè)任務(wù)?！瘪R英昌說(shuō)。

“聽(tīng)音辨位”匯聚創(chuàng)新結(jié)晶

對(duì)宇宙目標(biāo)“精準(zhǔn)畫(huà)像”，除了得天獨(dú)厚的站址條件外，還要準(zhǔn)確地“聽(tīng)音辨位”——這就需要較高的靈敏度和指向精度，還得屏蔽電子設(shè)備的電磁輻射干擾，讓天線更加專注于宇宙目標(biāo)。

上述要求離不開(kāi)集多種關(guān)鍵技術(shù)于一身的SKA中頻天線。

SKA中頻天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師杜彪介紹，SKA中頻天線對(duì)效率與波束變形、指向精度、電磁屏蔽與電磁兼容等核心關(guān)鍵指標(biāo)提出了極高要求，帶給設(shè)計(jì)與研發(fā)的挑戰(zhàn)前所未有?！盀闈M足高電磁兼容性和高指向精度的世界性技術(shù)難題，我們對(duì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)仿真、標(biāo)校、調(diào)試、測(cè)試方法和驗(yàn)證等一系列關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展攻關(guān)，完成了高電磁兼容性伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工和集成工作?！?/p>

據(jù)悉，SKA中頻天線的伺服控制系統(tǒng)需要滿足高電磁屏蔽指標(biāo)，才能實(shí)現(xiàn)高靈敏度觀測(cè)。同時(shí)，采用全數(shù)字高精度伺服驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)及高精度座架和天線結(jié)構(gòu)的保型設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)千分之三度的高指向精度。當(dāng)接收到觀測(cè)指令時(shí)，分布在上千公里范圍的幾千面天線將精確地同步對(duì)準(zhǔn)同一觀測(cè)目標(biāo)，持續(xù)同步跟蹤觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)最大的接收效率。

SKA中頻天線中心區(qū)域陣列建在南非卡魯?shù)貐^(qū)，屬于干旱臺(tái)地高原，因此天線的運(yùn)輸、集中建設(shè)、運(yùn)行、后期維護(hù)等都成為技術(shù)人員需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題?！搬槍?duì)批量化建設(shè)、沙漠環(huán)境安裝集成以及使用維護(hù)的特點(diǎn)，為了便于運(yùn)輸與組裝，我們對(duì)天線反射體、座架、方位俯仰機(jī)構(gòu)和軸承進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，各模塊部件像積木一樣易于拆裝。驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、減速機(jī)等結(jié)構(gòu)則被設(shè)計(jì)為現(xiàn)場(chǎng)可更換單元，無(wú)需返場(chǎng)維護(hù)，便于設(shè)備維護(hù)?！盨KA中頻天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王大為說(shuō)。

精益求精探尋技術(shù)極致

SKA中頻天線是一臺(tái)15米口徑的賦形雙偏置格里高利天線，天線反射體由主反射體、副反射體、換饋機(jī)構(gòu)和支臂構(gòu)成?！疤炀€主反射體采用高精度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和三角形鋁合金面板材質(zhì)，在實(shí)現(xiàn)高精度的同時(shí)，也便于維護(hù)和快速安裝?！盨KA中頻天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目設(shè)計(jì)師楊晉蓉介紹，“我們的面板精度達(dá)到0.03～0.1毫米，面形精度優(yōu)于100微米，還不及兩根頭發(fā)絲的厚度，代表了國(guó)內(nèi)面板設(shè)計(jì)與制造的最高水平?！?/p>

高精度要求的背后，是每一個(gè)安裝環(huán)節(jié)的極致精密。

SKA中頻天線的背架是空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，采用螺栓球與拉桿螺連的方式安裝。SKA中頻天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目工藝師王建永介紹，一面天線上有100余個(gè)螺栓球、300余根拉桿，100余個(gè)螺栓球上的螺孔數(shù)量不盡相同，最多可達(dá)12個(gè)，而且每個(gè)螺栓球上的螺孔角度都是唯一的?！耙簿褪钦f(shuō)，每個(gè)螺栓球在15米×18米×3米的網(wǎng)架中的位置是唯一的，每個(gè)螺孔裝哪根拉桿也是唯一的?！?/p>

如此精密的位置要求，哪怕有一粒小米大小的誤差，也會(huì)裝不上去。為快速、精確完成安裝與拆卸，工藝師們經(jīng)過(guò)幾十次試驗(yàn)，構(gòu)建出4個(gè)計(jì)算模型，并反復(fù)研究裝配流程，歷經(jīng)2個(gè)多月才完全掌握最佳安裝方法。“那段時(shí)間，腦子里全是螺栓球和拉桿，整天都在琢磨，連做夢(mèng)都想著。”王建永說(shuō)。

SKA天線底座的內(nèi)部有一個(gè)設(shè)備艙，用來(lái)安裝望遠(yuǎn)鏡所有電子設(shè)備。由于設(shè)備運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，為降低輻射對(duì)天線的影響，設(shè)備艙需要較強(qiáng)的電磁屏蔽性能。

“考慮到天線是在沙漠環(huán)境中工作的，要留通風(fēng)孔用于散熱，還要留進(jìn)出電纜的通道、人維護(hù)的空間……別看空間不大，里面卻容納了非常多的設(shè)備。如何布置，如何實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽性能，絕對(duì)是個(gè)大挑戰(zhàn)！”電磁屏蔽艙研制技術(shù)負(fù)責(zé)人竇玉超感慨。

最終，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，結(jié)合每臺(tái)設(shè)備的功率、發(fā)熱量等進(jìn)行合理布局。“光是大的方案調(diào)整就有四五次，微調(diào)更有幾十次，我們用了1年時(shí)間才找到最優(yōu)方案?！备]玉超說(shuō)，找到技術(shù)最優(yōu)解，是團(tuán)隊(duì)始終的追求。

《光明日?qǐng)?bào)》（2023年09月21日 08版）

來(lái)源：光明網(wǎng)-《光明日?qǐng)?bào)》