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第一次看到“天眼”招聘,我感觉这个项目不靠谱

2023-04-25 11:04:31来源:虎嗅网

本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:姜鹏,图片:作者提供,原文标题:《当我第一次看到“天眼”的招聘,感觉可能是个忽悠人的项目,比卖拐还不靠谱 | 姜鹏》,题图来源:视觉中国

‍大家好,我是姜鹏,是中国科学院国家天文台的一名研究员,今天我想和大家分享的是关于我参与中国天眼研制的故事。


(相关资料图)

脉冲星是一个高密度的天体,一颗方糖大小的体积,质量就能达到上亿吨,它的发现有可能为我们揭示更多极端物理条件下的物理规律,是我们宇宙最精确的灯塔。

探测到这个脉冲星的中国天眼,是一个500米口径的射电望远镜(FAST),它的反射面面积相当于30个足球场的大小,是世界上最大的单口径射电望远镜。这是用中国的自主研发的天文设备,第一次探测到新发现的脉冲星。

我是FAST项目的调试工作负责人,第一次接触到这个项目,是在2009年。那年,我博士毕业,正面临着人生迷茫的十字路口——是应该继续博士的研究方向?还是寻找一个新的挑战,做自己感兴趣的事情?

时间总催促着人做决定,却也会带来机会的降临。那时候的机会,是一张招聘启事。

“一个500米直径的索网,能变形,抛物面可以在它的不同的部位形成,而且要求控制精度达到毫米级……”这应该就是FAST最初的招聘了,对于当时的我来说,太不可思议。我甚至觉得,这个项目可能是一个忽悠人的项目,比卖拐还不靠谱。

然而这个招聘启事又“别有用心”地附上了一个发改委的批文,告诉我这是一个真实存在的大科学工程。

一、技术难题每时每刻都在降临

带着对这个项目如何实现的好奇,我走入了天眼工程的项目建设。

进来后,发现事情和我想象中的并不一样。令我困惑的技术难题,很多都在研制阶段。就连当时的总工南仁东先生,也并不确定这个望远镜是否一定能达到他的设计指标。

于是我们就开始了逢山开路、遇水搭桥的过程,从无到开挖、到环梁结构、再到铺索网,到最后建成500米口径的射电望远镜,整整8年时间都投入到这个项目中去。我们的团队也从始至终坚持了22年,最后建成了世界上最大的单口径射电望远镜。

这个“大科学工程”,确实是挺大的。如果把FAST比喻成盛满了水的一口锅,我们全世界每个人都可以分4瓶,够大家所有人喝一天的。

它的反射面则像是天眼的视网膜,它是一个500米口径的钢梁,架在50根巨大的钢柱子上,670根钢索编成的索网挂于横梁,上铺4450块反射面单元,下设2225根下拉索,固定在地面上的触动器上。

触动器拽动下拉索,就能控制索网的形状,一会儿是球面,一会儿是抛面,以进行天文信号的收集和观测。

这样大的射电望远镜,首先要做的是结构设计。项目团队不得不为4450块反射面单元设计出380多个种类,那为什么不设计成一样的呢?因为人类所知道的最多正面体只有正二十面体,不像正多边形,想做多少边就做多少边。所以我们只能在正二十面体的基础上进行再划分,这样所有单元就不一样了,这也是我们能做到的最均匀的网状划分形式。

在连接方式上,我们用的是500米直径的钢梁,1度温度的变化就会产生6毫米的变形,50度就是300毫米的变形,对于钢结构来讲强度上很大的。

我们没有采用传统结构中会破坏整理性的“温度缝”,而是设置滑移支座,5800多吨钢梁放置于50根柱子上,在环梁和柱子间设置滑移支座,钢梁就能在这50根柱子上自由地收缩、扩张,来释放热胀冷缩产生的钢梁变形。中间的索网有约7000吨的载荷,也是对于钢梁定位的一种约束。

用一句话来形容这个索网结构,那就是它是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的索网工程。一般一项工程有一项世界第一就已经很难了,但是这个索网却集齐了三项世界第一,可以想象它的难度有多大。我们遇到的第一个技术难题就是索疲劳问题。FAST的索网不止需要承重,还要求能变形,钢索更像是弹簧,对疲劳性能的要求极高。

我们购入了市面上的十种钢索进行疲劳实验,没有一例能满足要求的,打击很大。

当时时间非常紧迫,我们的总工程师南仁东,经常在办公室里隔三差五找我去讨论技术问题,每次见到他,他头发都是立着的,天天在焦虑,手足无措,不知道该怎么解决。

到底需要采用什么疲劳性能的钢索呢?我们第一件事就是,预估未来30年内望远镜的预经轨迹。如图,一个月的轨迹就是一些连线,半年后就是一个黑团了,有了这些数据就可以进行大规模的历史仿真,最后得到钢索疲劳损伤的分布图。

可以看出,越在中间的钢索用的几率越大,疲劳性越高。与此同时,我们也要考虑一些不确定因素,比如观测年限,虽然设计寿命是30年,但真正使用时间不止30年。再如,我们所有的仿真状态也都是在理想状态下进行的,一旦设备发生故障也会有影响。最后,我们钢索的疲劳强度是规范标准的两倍还要多。

望远镜的运行轨迹如何?每根索在未来30年承受的应力如何?观测年限要设计成多少年?设备故障怎么办?

于是,我们进行了最系统、规模最大的一次索疲劳试验,而且是由天文台这个单位负责进行的。我们几乎经历了所有可能的破坏形式——铆柱的损伤破坏、单丝的磨损破坏,所有可能的我们都经历了。

在与多家企业进行合作、经历近百次失败后,历时两年终于研制出了适用于FAST的成品钢索结构。

从那以后,南老师的头发——平了!钢索的难题还不止如此,要把1670根钢索变成索网,需要毫米级的成形精度。每根索都长短、粗细不一,一根索的加工、安装失误,都有可能导致整个索网无法精确成形。

此外,温度变化也要考虑,我们要在恒温间专门进行加工;构件的间隙也要注意,每根索差1毫米,到索网边缘就要误差60多毫米。

所以,我们对每根索的加工都有影像记录,方便知道错在哪了。

即便如此,我们加工第一批1600根的钢索时,占总量的四分之一,发现个别精度还是有问题,只能把它们全部返厂重新加工。

开始挂索网时,精度要控制在两毫米内,我们开了好几次会,想了一系列的办法,琢磨了两个多月。

最后在周围的150根钢索上布置了力传感器,将力控和形控结合,非常巧妙地实现了精确定位。

之后就涉及到索结构的安装,我当时刚毕业到天文台工作,不是很擅长。这时,东南大学的郭振兴团队主动请缨接手,他们对此非常有经验,最后出了一个非常好的方案。

说方案好吧,其实也挺“笨”的。索都是在空中一根一根拼上去的,一共6000多根索,2000多个接引盘,上万个关节轴承。

工人们天天都吊在空中,无论风吹日晒,酷暑寒冬。期间还装错过,复查时发现16根装错,只能全拆了重新装。过程还是蛮艰难的,但最后还是成功了,右下角是我们完成时的合照。

反射面的安装也一样特殊。从拼装场地吊起来到空中,放在一个车上,在滑梁上走,然后放在篮索吊上,顺着篮索溜到反射面相对应的位置。和装钢索一样,底下有好几个工人等待,高度从4米到几十米,就这样一个个地将4450块反射面单元安装完毕。

还要说一下反射面的测量方案。要实现抛面、球面来回变形的精准控制,我们首先要进行测量。全站仪既可以测角,也可以测距,得到的信息就可以用来测算它的空间位置。

全站仪是红外的,夜间用照相机对它进行长时间曝光,就可以得出这样的像,看上去非常高科技。如果用的是手机,打开闪光灯照相,就会发现所有的靶标都在对你打招呼。

知道了精确位置,就可以用触动器控制它的节点位置。触动器就是图中黄色的设备,采用的是液压系统,比人高一点,就可以在±1米的范围内控制索网形状。

平行光打到抛物面之后,会汇集到一点,要有一个接收装置收集电磁波信号,这就是馈源舱,我们把它誉为望远镜的“瞳孔”。馈源舱有30吨重,体积相对较小,不仅可以减少光路遮挡,波速还非常干净,可以减少其他信号干扰。

馈源舱是两级控制的。第一级通过6根钢索把馈源舱吊到140米的高空,每根钢索大概四五百米长,精度要控制在48毫米内。

在馈源舱中还有个斯特瓦平台,就是二级控制。在空中风一吹,馈源舱难免会晃动,所以要有一个平台把接收机稳定住,保证能够精确地收到信号,这就实现了二次精准定位,把精度控制在10毫米内,听着都挺玄乎的。

我们还是挺幸运的,在8月17号,我们第一次实现了望远镜馈源支持系统的整体联调,把精度控制在了5.4毫米内,位姿也控制在了0.3度内。

▲ 左:2017年6月的观测 (3C286)高频波束有分叉结构右:2017年8月的观测(3C286)

通过不断地努力,我们把望远镜视网膜调整得更好,把瞳孔位置控制得更精准,让天眼的“视力”从左侧的模糊到右侧的正常。

随后我们对望远镜进行整体验调,以实现对固定目标的跟踪,天眼的“眼珠”终于可以转动了,具有里程碑意义。

二、山里的这群善良的人们

完成这件事后,我给总工南仁东发了一条微信。

我告诉他,我们这个项目做成了。当时他身体已经很不好了,但还是非常欣慰。这是我们最后一次微信交流。

这是2016年9月25日,在落成仪式现场我们的最后一张照片。当时我站在不起眼的角落里(一排右1),心里还有点不平衡。

我说我要拍一张更好的,把他们都变成背景,我算是得逞了!

其实这个望远镜具有超高的灵敏度和大覆盖天区,将有机会在灵敏度方面站在世界的至高点。它可以观测脉冲星这个宇宙最精确的灯塔,探测极端物理条件下基本的物理规律,还能探测到137亿光年前的宇宙。同时,也能主导国际VLBI网,实现高分辨率、高灵敏度的观测,把我国的探测和通讯能力延伸到太阳系的边缘。

如果你问我这个望远镜有多贵,其实它只是相当于一公里地铁的造价

还有人问我,这件事到底值不值得做,我想我们每个人心里都有答案,对于我来说是非常值得的一件事。

我是非常欢迎大家去现场转一转的,它是一个“科学的风景”。如果运气够好,第二天爬起来到山顶,就可以看到雾中的FAST,非常美丽。

如果晚上去的话,可以看到非常美的星空。我想对大多生活在都市的人来讲,这已经是非常奢侈的一件事了,但在那里十分常见。

如果还够幸运,还可以看到各种奇怪的生物。这是后来我们制作的标本。

当然,我们还会看到这些善良的人,很孤独,经常以宠物为伴。如果有美女到我们FAST现场去参观的话,我非常希望你把他也带走,这还有他的电话!

回到主题,坦诚地说,FAST还有许多问题要解决,比如正常调试仍然很难,我们没有历史经验可以借鉴。它非常特殊,和其他天文望远镜的功能模式都不太一样,而且它有大量的功能部件和机械装置,我们必须要努力工作,进一步降低故障对望远镜观测的影响,保证随时想看就能看,想看什么就能看什么,不让风雨雾等天气影响全天的观测时长。

这些事都非常繁琐,幸好我们山里还有一群年轻人在茁壮生长,包括刚才单身的同志。所以我们都是在一步步地把望远镜调试好,争取在未来两年给中国的天文界一张满意的答卷!

好,谢谢大家!

本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:姜鹏

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