官方网站-首页

【导语】在贵州的喀斯特洼坑中，矗立着世界最大的单口径射电望远镜——中国天眼（FAST）。这口银色“巨锅”不仅捕捉着遥远天际的电磁波，在其看似不完美的设计中，更蕴含着精妙的工程智慧。从中心的五边形缺口到周边的小圆洞，每一处设计都是对科学探索与工程实践的完美平衡。本文将带您深入了解FAST的这些独特设计及其背后的智慧。

出品：

作者：窝凼码农（中国科学院国家天文台/FAST运行和发展中心控制组组长）

监制：中国科普博览

在贵州群山环抱的喀斯特洼坑中，500米口径的“中国天眼”如同一口银色巨锅，时刻捕捉着来自遥远天际的电磁波。它是我国重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST），是世界最大单口径、最灵(líng)敏(mǐn)的(de)射(shè)电(diàn)望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)，在(zài)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)搜(sōu)寻(xún)、中(zhōng)性(xìng)氢(qīng)观(guān)测(cè)、快(kuài)速(sù)射(shè)电(diàn)暴(bào)发(fā)现(xiàn)等(děng)领(lǐng)域居(jū)于(yú)国(guó)际(jì)领(lǐng)先(xiān)。FAST于(yú)2016年(nián)9月(yuè)25日(rì)落(luò)成(chéng)，2020年(nián)1月(yuè)11日(rì)通(tōng)过(guò)国(guó)家(jiā)验(yàn)收(shōu)，正(zhèng)式(shì)开(kāi)放(fàng)运(yùn)行(xíng)。

若(ruò)你(nǐ)仔(zǐ)细(xì)观(guān)察(chá)这口“巨锅”，会(huì)注(zhù)意(yì)到其反射面底部感觉有个形似正五(wǔ)边(biān)形(xíng)的缺口。这个看似不完整的设计，实则被严丝合缝地封堵着，背后蕴含着精妙的工程智慧。

FAST望远镜整体照片

(图片来源：FAST运行和发展中心)

“天眼”底部为什么缺了一块？

“天眼”底部的“洞”是怎么来的，为什么会存在这个五边形缺口？答案与FAST望远镜的一项重要基础设施——位于反射面底部的馈源舱停靠平台有关。馈源舱是一个直径约13米、重30吨的金属舱体，舱体内装载着超低温制冷的接收机、馈源喇叭等精密仪器。可在百米范围内实现毫米级的精准移动和姿态调整，核心作用是确保舱内接收机稳定接收反射面汇聚的宇宙无线电波信号。

停靠平台位于反射面的底部，主要作用有两方面：一是作为维护基地。它是馈源舱(cāng)的维护中心，支持定期检查、维修(xiū)及(jí)设(shè)备更换。以馈源接收机的更换或维护为例，馈源舱平时悬于140米高空，在这样的高度开展维护显然不现实，因此必须将其降至望远镜底部进行操作。二是作为索系安装与更换的基础装置。拖动馈源舱的6根钢索寿命有限，需定期更换，而该平台提供了驱动索系的安装和更换接口，可保障钢丝绳的稳定性和可靠性。

由于开展上述两项工作时，平台的装置会高于反射面板，因此这个五边形缺口正是为适配平台而专门设计(jì)的(de)。

五(wǔ)边(biān)形(xíng)缺(quē)口(kǒu)的(de)封(fēng)堵(dǔ)方(fāng)案(àn)：从(cóng)“机(jī)械(xiè)花(huā)瓣(bàn)”到(dào)“隐(yǐn)形(xíng)斗(dòu)篷(peng)”

这(zhè)个(gè)五(wǔ)边(biān)形(xíng)缺(quē)口(kǒu)难(nán)道(dào)就(jiù)一(yī)直(zhí)保(bǎo)持(chí)开(kāi)放(fàng)状(zhuàng)态(tài)吗(ma)？答(dá)案(àn)是(shì)否(fǒu)定(dìng)的(de)。

这(zhè)需(xū)要(yào)从(cóng)射(shè)电(diàn)望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)的(de)“灵敏度”说起——射电望远镜的灵敏度主要取决于其有效接收面积和系统噪声温度。当对目标进行观测时，若所使用的抛物面包含底部缺口对应的面积，接收机会接收到来自地面的热辐射，进而导致FAST整体的系统温度升高。这与天眼的“回照”策略类似：当天眼观测天顶角大于26.4度的天体时，馈源接收机会“照”到地面，此时需调整接收机姿态以避免接收地面辐射干(gàn)扰(rǎo)。两(liǎng)者本质上都是为(wèi)了隔绝地面的“杂音”。

因此，需要对这个五边形缺口进(jìn)行(xíng)灵(líng)活(huó)封(fēng)堵(dǔ)。而(ér)制(zhì)定封堵方案需重点考虑两方面因素：

一是需适配天(tiān)眼(yǎn)的“变形”特性，当FAST追踪不同天体时，反射面会从初始球面变形为瞬时抛物面。此时索网(由(yóu)数(shù)千(qiān)根(gēn)高疲劳强度钢索编成的“巨型可变形网兜”，通过节点下方的下拉索和促动(dòng)器(qì)实(shí)时把局部球面拉伸成抛物面，以实现射电波的高效聚焦)中心正五边形在水平投影面内会沿钢索轴向和垂直钢索轴向两个方向上分别产生侧偏量，最大侧偏量为140mm，同时5套节点盘（是一种高强度金属连接件，每根主索交汇的连接点，采用圆盘形设计）的高度会产生变化，变化量±500mm。中心处正五边形孔的封堵结构和机构，应满足反射面变形要求。即这些侧偏量发生时，封堵方案需不受任何影响；

二是需具备快速拆除及快速恢复的能力。当馈源舱准备入港前，该封堵结构按面板、桁架梁、钢索和中心节点盘的次序被依次快速拆除，腾出空间容纳馈源舱入港停靠。当FAST馈源舱离港后，可按照与拆卸相反的顺序快速恢复封堵结构。

封堵方案经历了从“机械花瓣”到“隐形斗篷”的进化史。早(zǎo)期(qī)的(de)实(shí)验(yàn)方(fāng)案(àn)可(kě)简(jiǎn)单(dān)理(lǐ)解(jiě)为(wèi)“花(huā)瓣(bàn)式(shì)”：用(yòng)五(wǔ)块(kuài)三(sān)角(jiǎo)形(xíng)反(fǎn)射(shè)面(miàn)板(bǎn)组(zǔ)成(chéng)一(yī)个(gè)可(kě)开(kāi)合(hé)的(de)结(jié)构(gòu)，像(xiàng)五(wǔ)片(piàn)花(huā)瓣(bàn)围(wéi)在(zài)中(zhōng)心(xīn)。观(guān)测(cè)时(shí)“花(huā)瓣(bàn)”闭合，让反射面保持完整；需要维修时“花瓣”打开，给馈源舱让道。其中一块“花瓣”开合的过程见如下视频：

这个方案的优点很明显：观测过程中，如果300米的瞬时抛物面覆盖中心底部的五块三角(jiǎo)形(xíng)，闭(bì)合(hé)状(zhuàng)态(tài)下则能充分利用五边形区域的反射面面积，让天眼的接收面积更大。但缺点也很突出——“花瓣”开合速度太慢。每次打开或闭合，耗费的时间会大于40分钟。这个“耗时短板”，让“花瓣式”方案最终没能落地。

目前的实验方案，是把封堵的五块面板换成一张“索张拉柔性网”，就像给缺口披了件“隐形斗篷”。该方案参考FAST运行和发展中(zhōng)心(xīn)李(li)辉(huī)的(de)专(zhuān)利(lì)——《一(yī)种(zhǒng)FAST反(fǎn)射(shè)面(miàn)中(zhōng)心(xīn)孔(kǒng)索(suǒ)张(zhāng)拉(lā)柔(róu)性(xìng)封(fēng)堵(dǔ)结(jié)构(gòu)》（专(zhuān)利(lì)号(hào)：CN108736169A）。

该(gāi)方(fāng)案(àn)的(de)优(yōu)势(shì)在(zài)于(yú)，其(qí)封(fēng)堵(dǔ)结(jié)构(gòu)由(yóu)柔(róu)性(xìng)网(wǎng)与(yǔ)轻质面板组成，不仅重量更轻，操作也更为灵活，拆除过程仅需10分钟左右。不过，该方案也存在一定局限：在观测过程中，若抛物面覆盖了中心底部区域，会损失原五块反射面板的接收面积。但这部分面积仅占300米瞬时抛物面的不到1%，对整体灵敏度的影响微乎其微。

权衡之下，“高效优先”的柔性网方案成了最终选择。如今，当天眼需要维修时，这层“隐形斗篷”会迅速收起；观测时又会严丝合缝地盖好，让天眼始终保持最佳状态。

反射面底部当前的封堵现状

(图片来源：FAST运行和发展中心)

为什么反射面周边还有“小洞”？

其实，当我们俯视这口“大锅”时，细心的观察者会发现：除了中心底部的大缺口，反射面周边还有不少小洞。从上图“反射面底部当前的封堵现状”中，也能清晰看到其中散布的两个“小圆洞”。这些小洞又是怎么回事？答案藏在天眼的“定位系统”——“测量基墩”里。

FAST测量基墩照片

(图片来源：FAST运行和发展中心)

作为为望远镜面型调整和馈源定位提供稳定支撑的基座，测量基墩是保障测(cè)量(liàng)精度的核心。望远镜运行时，馈源舱的实时精确定位、抛物面的面型精度测量，均离不开这一基础装置。基墩上布设的徕卡测量仪器可支持全自动化测量，若将仪器置于面板下方，信号会被遮挡，测量工作便无从开展。因此，工程设计团队特意留设孔洞，让光束、信号与仪器得以“各行其道”。

反射面的面型测量是如何实现的呢？首先在反射面节点（即三角形面板的连接点）安装靶标，每个靶标相当于一个需测量相对位置的目标点。测量时，安置在测量基墩上的全站仪会发射调制红外光，对这些靶标的位置进行采集，工程师根据这些点的空间位置分布精确描绘出反射面的形状，从而实现对面型的测量。

测量基墩与反射面靶标

(图片来源：新华社 欧东衢)

当然，这一过程需解决基准网构建、大气折光消除等技术问题。而馈源舱的位姿测量则采用多站交会技术：在反射面内的基准点部署3台全站仪，通过测量馈源舱边缘棱镜的坐标，结合交会算法解算得出舱体的空间位置。

全站仪工作状态照片

(图片来源：FAST运行和发展中心)

为了给馈源舱留“维修站”，工程师们“让”出一块面积，又用巧妙的封堵方案补上了性能短板；为了保证测量精度，他们故意留下反射面周边的“小洞”，又用精准的布局让这些缺口不影响整体功能。这些设计背后，是对每一个细节的反复推敲。

从中心的五边形缺口到周边的小圆洞，FAST的这些“不完美”设计，恰恰体现了工程智慧的精髓：科学探索从来不是追求形式上的圆满，而是在约束与需求之间，找到那个精妙的最优平衡点。