式現代化之路 “地球巨眼”迎來建設階段首顆“中國之眸” 2023-09-21 09:09 來源：中國青年報 “地球巨眼”迎來建設階段首顆“中國之眸” ——全球最大射電天文望遠鏡陣列首臺中頻天線正式吊裝 備受矚目的“地球巨眼”——國際大科學工程平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）項目建設迎來重要進展，其建設階段第一顆“中國之眸”正式落地了。 9月20日，我國參與研制的SKA項目進入建設階段以來的首臺中頻天線，在中國電科網絡通信研究院測試現場正式吊裝，不久后將被運往位于南非的目的地。這標志著SKA中頻天線結構已經基本達到技術就緒和批量生產狀態，正式進入建設階段。 “SKA將為人類認識宇宙提供重要機遇，開啟人類探測宇宙的新紀元。”中國電科首席科學家鄭元鵬說，建設階段首臺天線吊裝完成，標志著我國在SKA核心設備研發中發揮引領和主導作用，在國際大科學工程中成功提供“天線解決方案”。 SKA是由全球多國合資建造和運行的世界最大規模綜合孔徑射電望遠鏡，被稱作“地球巨眼”，其臺址分別位于南非及南部非洲8國、澳大利亞西部的無線電寧靜區域。SKA建成后將比目前最大的射電望遠鏡陣列靈敏度提高50倍，巡天速度提高1萬倍。 在約3000公里的廣袤荒野中，3000面天線組成的望遠鏡靜伏于地球表面，觀測宇宙深處最神秘的電波——這就是SKA建成之后可預見的景象。SKA天文臺宣傳外聯部主任威廉·加尼爾介紹，從規模層面來講，SKA組成陣列的射電望遠鏡總接收面積達1平方公里，相當于140個足球場的面積。 如此龐大的工程并非一國之力可以完成。20世紀90年代初，在來自約20個國家的上百個大學和科研機構的天文學家和工程師的努力下，人類有史以來在建的最大綜合孔徑射電望遠鏡SKA應運而生。 “SKA寄予著人類了解宇宙和生命奧秘的使命，探測宇宙、星系的起源和演化，尋找更多的星系，探尋孕育生命的新搖籃，搜索外星生命等都是SKA未來將致力于揭示的基本問題。”鄭元鵬說。 作為人類探尋宇宙樣貌的“地球巨眼”，SKA要獲得對宇宙目標的“精準畫像”，除了得天獨厚的站址條件外，更不可缺少的是一道道投射出去的“天線”。SKA中頻天線集多種關鍵技術于一身，能夠實現準確地“聽音辨位”，是“地球巨眼”的核心設備。 這也是擺在SKA中頻天線結構項目總設計師杜彪面前的難題：天線要實現準確地“聽音辨位”，需要具有較高的靈敏度和指向精度；專注于宇宙目標，則需具備高電磁屏蔽能力，以屏蔽電子設備的電磁輻射干擾，這些帶來的設計與研發挑戰是前所未有的。 為解決這一世界性技術難題，杜彪與相關團隊對伺服控制系統設計、動態仿真、標校、調試、測試方法和測試驗證等一系列關鍵技術開展攻關，最終完成了高電磁兼容性伺服控制系統的設計、加工和集成工作。 由于SKA中頻天線中心區域陣列建在南非卡魯地區，天線的運輸、集中建設、運行、后期維護等都是技術人員需要重點考慮的問題。SKA中頻天線結構項目負責人王大為表示，為了便于運輸與組裝，他和團隊對天線反射體、座架、方位俯仰機構和軸承進行了模塊化設計，使得各模塊就像一塊塊積木部件一樣易于拆裝；為方便設備維護，他們將驅動器、電機、減速機等結構設計為現場可更換單元，“在現場隨時可換，無須返場維護，更方便了設備維護運營”。 SKA中頻天線是一臺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、換饋機構以及支臂構成。這是SKA的最終形態，也是SKA中頻天線結構項目設計師楊晉蓉與團隊的心血。 制作66塊面板是楊晉蓉面對的第一個挑戰，為此他們耗費了3個月。按照要求，整個天線的主反射面是一個六邊形空間的網架結構，由66塊不同曲率的鋁合金三角形面板組成。由于這66塊面板的曲率各不相同，所以需要制造66個專用的模具。 “我們的面板精度達到了0.05-0.12毫米，面形精度優于100微米，還不及兩根頭發絲的厚度，這代表了國內面板設計與制造的最高水平。”楊晉蓉說，為易于實現高精度，也便于維護和快速安裝，天線主反射體采用了高精度空間網架結構和三角形鋁合金面板。 高精度要求的背后，是每一個安裝環節的極致精密。為此工藝師們經過幾十次試驗，構建了4個計算模型，反復研究裝配流程，歷經兩個多月才完全掌握最佳安裝方法。 天線宛如一個尚在襁褓中的嬰兒，需要各方專家精心維護，容不得半點干擾。為降低設備運行產生的電磁輻射對天線的影響，電磁屏蔽艙研制技術負責人竇玉超帶領團隊尋找技術“最優解”。 “這是一個非常大的挑戰。”竇玉超說，“這個空間不大，里面容納了非常多的設備。考慮到天線是在沙漠環境中工作，要留通風孔用于散熱，還要留進出電纜的通道、人維護的空間，無論是如何布置空間還是實現電磁屏蔽性能，都是很難完成的任務。” 經過一年時間，此問題得以解決。其間團隊反復論證，結合每臺設備的功率、發熱量等情況進行合理布局。研制團隊透露，方案大調整有四五次，微調有幾十次，歷時一年才找到最優方案。 “我們作為SKA天線結構工作包聯盟的牽頭單位，聯合團隊內部來自南非、意大利等國的科研及工業機構，將共同完成SKA天線結構工作包天線的建設任務。”中國電科網絡通信研究院黨委書記徐小剛說，“我們將繼續深化國際交流合作，加強與各方通力配合，為SKA大科學工程建設貢獻中國智慧和中國力量。” 記者了解到，此次吊裝完成之后，中國電科還將陸續完成SKA建設階段首批64臺中頻天線的安裝。 中青報·中青網記者 邱晨輝 見習記者 李瑞璇 來源：中國青年報 【責任編輯：韓雅潔】