作者:中國科學院國家天文臺研究員、“中國天眼”FAST調試組組長 姜鵬

2017年,“中國天眼”第一次探測到脈沖星。脈沖星是一種高密度的天體,一顆方糖大小體積的脈沖星質量就達上億噸,它的發現將有可能為我們揭示更多極端物理條件下的物理規律。

“中國天眼”是一個500米口徑的射電望遠鏡,反射面的面積相當于30個足球場的大小,它是世界上最大的單口徑射電望遠鏡,我就是這個望遠鏡項目的調試工作負責人。

其實我是一個結構工程師。2009年,我博士畢業,正好看到這個工程的招聘廣告,它要求工程控制精度達到毫米級。我想看看這個項目到底是怎么實現的,所以就來到了這里。

結果我發現,工程的很多項目都處在研制階段,就連當時的總工程師南仁東先生也并不確認這個望遠鏡一定能達到設計指標,或者說能完全實現他的預期設想。

我們就這樣開始了逢山開路、遇水搭橋的艱難歷程。從開挖地基到建第一個環梁結構,再鋪上索網,最后建成世界上最大的單口徑射電望遠鏡。

它究竟有多大呢?如果把它比喻成一口鍋的話,盛滿水,全世界每個人都可以分到4瓶水。

它的反射面,可以比喻成“天眼”的視網膜。它是一個500米口徑的鋼梁,架在了50根巨大的鋼柱上,然后有一個6670根鋼索編織的索網掛在環梁上,上面鋪著4450塊反射面單元,下面是2225根下拉索,固定在地面的觸動器上。通過這些觸動器拽這些下拉索,就可以控制索網的形狀,一會兒是球面,一會兒是拋面,進行天文信號的收集和觀測。

這個索網結構,是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的索網工程。一般來說,一個工程有一項世界第一就已經很難了,但是這個索網結構卻集了三項世界第一,你可以想象它的難度有多大。

我們面對的一大技術難題就是索疲勞問題。傳統索結構主要用于承重,但是“天眼”是需要變形的,一會兒球面,一會兒拋物面,它要對不同的天體進行觀測,它一直在動,所以它的鋼索更像是彈簧,對疲勞的性能要求極高。

當時我們從市面上購買了十余根鋼索結構進行疲勞實驗,結果沒有一例能滿足我們的使用要求,這對我們來說是一個非常沉重的打擊。因為開挖工程已經開始,設備金屬工程也迫在眉睫,但由于索疲勞問題,這個反射面結構形式遲遲定不下來。

南仁東老師隔三差五就找我去討論技術問題。每次我見到他的時候,他的頭發都是立著的,天天都在焦慮,不知道該怎么解決。

我們首先對鋼索的疲勞性能進行了評估,最終確定的疲勞強度比傳統規范的兩倍還要多。然后,我們進行了可能是有史以來最系統、最大規模的索疲勞試驗,幾乎經歷了所有可能發生的各種破壞形式,經過近百次失敗,與多家企業進行合作,終于歷時兩年,研制出了一種適用于“天眼”的成品鋼索結構。從那以后,南仁東老師的頭發才變平了。

其實,鋼索的難題還不光如此,它是由6670根鋼索編成的一個索網,每個索都不是一樣長短的,粗細也不一樣。它要有毫米級的成型精度,所以有一根索加工錯了或者安裝錯了,都會導致整個索網無法精確成形。因此這個工程的實施過程非常艱難。

“視網膜”安裝好了,還有“瞳孔”,也就是“天眼”的饋源艙。饋源艙體積很小,有30噸重,是一個接收裝置,能對電磁波信號進行收集。

隨后我們對整個望遠鏡進行整體聯調,不光饋源艙,還包括反射面,包括整個“視網膜”和“瞳孔”的協同動作,這樣就可以實現對固定目標的跟蹤。

完成這件事之后,我給南仁東老師發了一條微信,告訴他這個事做成了。當時他身體已經非常不好了,他感覺很欣慰,給我回了一個微信,對我們表示祝賀。這也是南仁東老師發給我的最后一條微信。

“中國天眼”具有超高的靈敏度和大覆蓋天區,它使中國制造的望遠鏡在靈敏度這個技術指標上,站在了世界的制高點上。

但是讓它能正常工作仍是非常難的。它是非常特殊的一個望遠鏡,跟其他望遠鏡的工作模式不太一樣。它有大量的運動部件和機械裝置,我們必須努力地工作,進一步降低望遠鏡故障對望遠鏡觀測性能的影響,而且要保證它隨時想看就能看,想看什么就能看什么,還要保證風、雨、霧盡量減少影響它的觀測時長。

我們仍在努力,爭取在未來兩年給中國的天文界一個滿意的答卷。

(本報記者徐蓓整理,內容由“中國科普博覽、SELF格致論道講壇”提供)