作者:中国科学院国家天文台研究员、“中国天眼”FAST调试组组长 姜鹏

2017年,“中国天眼”第一次探测到脉冲星。脉冲星是一种高密度的天体,一颗方糖大小体积的脉冲星质量就达上亿吨,它的发现将有可能为我们揭示更多极端物理条件下的物理规律。

“中国天眼”是一个500米口径的射电望远镜,反射面的面积相当于30个足球场的大小,它是世界上最大的单口径射电望远镜,我就是这个望远镜项目的调试工作负责人。

其实我是一个结构工程师。2009年,我博士毕业,正好看到这个工程的招聘广告,它要求工程控制精度达到毫米级。我想看看这个项目到底是怎么实现的,所以就来到了这里。

结果我发现,工程的很多项目都处在研制阶段,就连当时的总工程师南仁东先生也并不确认这个望远镜一定能达到设计指标,或者说能完全实现他的预期设想。

我们就这样开始了逢山开路、遇水搭桥的艰难历程。从开挖地基到建第一个环梁结构,再铺上索网,最后建成世界上最大的单口径射电望远镜。

它究竟有多大呢?如果把它比喻成一口锅的话,盛满水,全世界每个人都可以分到4瓶水。

它的反射面,可以比喻成“天眼”的视网膜。它是一个500米口径的钢梁,架在了50根巨大的钢柱上,然后有一个6670根钢索编织的索网挂在环梁上,上面铺着4450块反射面单元,下面是2225根下拉索,固定在地面的触动器上。通过这些触动器拽这些下拉索,就可以控制索网的形状,一会儿是球面,一会儿是抛面,进行天文信号的收集和观测。

这个索网结构,是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的索网工程。一般来说,一个工程有一项世界第一就已经很难了,但是这个索网结构却集了三项世界第一,你可以想象它的难度有多大。

我们面对的一大技术难题就是索疲劳问题。传统索结构主要用于承重,但是“天眼”是需要变形的,一会儿球面,一会儿抛物面,它要对不同的天体进行观测,它一直在动,所以它的钢索更像是弹簧,对疲劳的性能要求极高。

当时我们从市面上购买了十余根钢索结构进行疲劳实验,结果没有一例能满足我们的使用要求,这对我们来说是一个非常沉重的打击。因为开挖工程已经开始,设备金属工程也迫在眉睫,但由于索疲劳问题,这个反射面结构形式迟迟定不下来。

南仁东老师隔三差五就找我去讨论技术问题。每次我见到他的时候,他的头发都是立着的,天天都在焦虑,不知道该怎么解决。

我们首先对钢索的疲劳性能进行了评估,最终确定的疲劳强度比传统规范的两倍还要多。然后,我们进行了可能是有史以来最系统、最大规模的索疲劳试验,几乎经历了所有可能发生的各种破坏形式,经过近百次失败,与多家企业进行合作,终于历时两年,研制出了一种适用于“天眼”的成品钢索结构。从那以后,南仁东老师的头发才变平了。

其实,钢索的难题还不光如此,它是由6670根钢索编成的一个索网,每个索都不是一样长短的,粗细也不一样。它要有毫米级的成型精度,所以有一根索加工错了或者安装错了,都会导致整个索网无法精确成形。因此这个工程的实施过程非常艰难。

“视网膜”安装好了,还有“瞳孔”,也就是“天眼”的馈源舱。馈源舱体积很小,有30吨重,是一个接收装置,能对电磁波信号进行收集。

随后我们对整个望远镜进行整体联调,不光馈源舱,还包括反射面,包括整个“视网膜”和“瞳孔”的协同动作,这样就可以实现对固定目标的跟踪。

完成这件事之后,我给南仁东老师发了一条微信,告诉他这个事做成了。当时他身体已经非常不好了,他感觉很欣慰,给我回了一个微信,对我们表示祝贺。这也是南仁东老师发给我的最后一条微信。

“中国天眼”具有超高的灵敏度和大覆盖天区,它使中国制造的望远镜在灵敏度这个技术指标上,站在了世界的制高点上。

但是让它能正常工作仍是非常难的。它是非常特殊的一个望远镜,跟其他望远镜的工作模式不太一样。它有大量的运动部件和机械装置,我们必须努力地工作,进一步降低望远镜故障对望远镜观测性能的影响,而且要保证它随时想看就能看,想看什么就能看什么,还要保证风、雨、雾尽量减少影响它的观测时长。

我们仍在努力,争取在未来两年给中国的天文界一个满意的答卷。

(本报记者徐蓓整理,内容由“中国科普博览、SELF格致论道讲坛”提供)