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原标题:做最好用的望远镜,希望人们记得背后工程师团

浏览次数:104 时间:2019-09-24

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在贵州群山深处,有一座500米口径球面射电望远镜。有人戏称这是“山里的一口大锅”,装满矿泉水,全世界70亿人每人可以分到四瓶;也有人叫它“中国天眼”。作为世界上最大的单口径射电望远镜,也有世界上最灵敏的射电望远镜,中国天眼背后有哪些故事?中国天眼总工程师,国家天文台研究员姜鹏带你看“中国天眼”,听宇宙“心跳”。

即将过去的这个8月,中国科学院国家天文台研究员姜鹏有一大半时间在贵州省平塘县克度镇度过。过去的9年,他基本都是这么度过的。

群山之中的FAST工程新华社发

姜鹏演讲视频:

虽然世界最大的单口径射电望远镜FAST2016年9月就已建设完毕,进入调试阶段,但作为项目的总工程师及调试组组长,姜鹏要操心的事情却越来越多。

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以下为姜鹏演讲实录:

以南仁东为首的老一辈科学家,为“天眼”奉献了数十年。如今,接力棒交到了姜鹏这一代年轻科研人手中。

南仁东登上建设中的“中国天眼”。中国科学院国家天文台提供

首先要澄清一个事实:比起“科学家”,我更合适的身份应该是“工程师”。

初生牛犊

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说起FAST,世界上最大的单口径射电望远镜。到目前为止,它的灵敏度已经是世界上第二大望远镜的三倍左右,这也是中国建造的射电望镜第一次在灵敏度这个参数上达到了最高点。这为我们中国天文学的发展——包括科学家的一些重大发现,提供了可能。

“我原本是搞结构力学的,对这个项目一直很好奇,一个500米跨度的望远镜,控制精度却要达到2毫米,到底要怎么实现?”

2011年9月18日,大窝凼现场,南仁东与施工人员交流。中国科学院国家天文台提供

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作为一个刚刚博士毕业的年轻人,当时的姜鹏缺乏实际工程的锻炼和考验。有一次,时任总工南仁东问他:“你能行吗?”姜鹏事后才反应过来,南仁东这样问,可能是想吓跑他。但在当时,他并未听出这句疑问中的潜台词,而是认真回答:“应该可以,至少不会比别人差。”

在贵州平塘县大窝凼的喀斯特洼坑中,银色的“中国天眼”仍在探视宇宙,但在“中国天眼”之父南仁东的房间里,时间却停住了脚步。9月15日,南仁东因病在美国去世,这位率先提出在中国建设新一代射电“大望远镜”,并在十多年间,走遍贵州许多窝凼,选出理想台址,又用近十年时间跑遍工程现场的每个角落,罹患癌症仍坚守岗位的中国500米口径球面射电望远镜工程的发起者及奠基人,倒在了“中国天眼”建成而尚未正式启用的时刻。时年72岁的南仁东,生命在欣慰与遗憾中戛然而止,留在中国大地上的是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。

“中国天眼”。图片来源:图虫创意

加入项目组后,姜鹏发现,自己好奇的问题其实并没有答案。“当时FAST项目悬念很大,很多事情都不确定,也有同行觉得这项目不可行。”但姜鹏没多想,逢山开路,遇水搭桥。

“20多年只做这一件事”

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主动反射面系统作为FAST工程的三大自主创新之一,其核心是反射面的主动变位功能。但反射面由4000多块三角形拼接而成,重达千余吨,其稳定性直接关系到望远镜的效果和精度。由此造就了一个超大跨度、超高精度、主动变位工作模式的索网工程,其中相当多的技术要求属于超标准设计。

“咱们也建一个吧。”1993年,获悉科学家们在日本东京的国际无线电科学联盟大会上提出,要在全球电波环境继续恶化之前,接收更多来自外太空的信息,建造新一代射电“大望远镜”时,南仁东做出了这个决定,这让“南仁东”这三个字,从此与FAST这个射电望远镜密不可分。

说到这里,还要从FAST的应用背景说起,即射电天文学。1933年,卡尔·央斯基(Karl G. Jansky)在一次雷达通讯实验中,意外地发现了射电天文学的窗口。此后,他为人类贡献了四大发现。这些成果的取得,与设备的发展是密不可分的。

两年间,与同事们经历了上百次实验,姜鹏反而越挫越勇。“其实事后总结总是那么两三条,难的是从千丝万缕的线索中找到问题的关键所在,刚开始连努力的方向都不知道,更不知道技术瓶颈到底在哪里,后来循序渐进地摸索,希望也在一点点地增加。”姜鹏告诉《中国科学报》记者。

随意翻开一本世界科技史著作,射电天文学都是20世纪科技进展中颇为重要的章节之一。20世纪60年代四大天文发现——宇宙微波背景辐射、类星体、脉冲星和星际分子,它们分别为大爆炸宇宙论提供支持、让人们重新思考红移的本质,更进一步了解宇宙的物理本质和更深入了解宇宙间生命发生的适宜条件——这四大发现都是利用射电望远镜才得以进行观测的。

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反复尝试后,适用于FAST的超高疲劳性能钢索终于研制出来,6000多根不同粗细、长度和拉力的索被设计并制造出来,拼接成一张巨大而灵活的网,托起了“天眼”的“视网膜”——反射面。

在这些穷宇宙之边际的探索中,射电望远镜功不可没。自那以后,世界各国开始建造更大口径、更灵敏的射电望远镜来破解更多来自宇宙的秘密。

从雷伯(Grote Reber)造了第一台9.47米望远镜开始,望远镜的发展历史就是追求灵敏度的历史——科学家们一直想要造更大口径的望远镜,因为口径越大,就意味着越大的收光面积,在探测暗弱信号方面有更强的能力。这样,一方面可以极大地扩展可观测样本的数量,其中就可能孕育着一些重要发现;另一方面,也可以观测到更早期或更遥远的宇宙现象,对研究宇宙演化历史有非常大的帮助。

9年来,姜鹏每年有一多半的时间呆在贵州的深山里。日日与天文学家打交道,了解科研人员的研究需求,他从“天文学零基础”成了同事眼中最懂“天眼”的人。

作为一名天文学家,南仁东不可能不知晓这段天文史。正因如此,24年前,时任中国科学院北京天文台副台长的南仁东,便敏锐地抓住了契机,提出:“在中国境内建造直径500米、世界最大的单口径射电望远镜。”

1972年,德国人把望远镜做到100米后,采用传统工作模式的望远镜至今还在100米左右的水平,由于受风载和自重等因素的限制,很难再有突破。Arecibo(阿雷西博射电望远镜)开拓了一种建造望远镜的新模式,但是巨大的平台也给它造成了很多困难,驻波和收光效率等等都受到一些影响。怎样建造更大口径的望远镜,就变成了一个非常重要的瓶颈——直到一个概念的出现,改变了这种状况,它与我们刚才提到的FAST有关。

不留退路

当时,我国最大的射电望远镜口径只有30米,从30米到500米,这是个太大胆的设想,看好的人寥寥无几——建设这样大口径的射电望远镜已不仅是一个严密的科学工程,还是一个难度巨大的建设工程,涉及天文学、力学、机械工程、结构工程、电子学、测量与控制工程,甚至岩土工程等各个领域,且工程从纸面设计到实际建造和运行,有着十万八千里的距离。

是什么样的概念,使得FAST具备突破传统望远镜极限的能力呢?

2017年,FAST进入调试阶段。口径500米的“天眼”,在调试之初庞大又脆弱,执行任何操作都会牵动各种部件。同时,整个尺度范围内,控制精度需要达到毫米级别,既是优点,也是难点。

“是否有合适的地方?施工难度怎么克服?”这是当时人们最为普遍的质疑。但南仁东认准了这件事。从1994年开始,年近50岁的南仁东开始主持国际大射电望远镜计划的中国推进工作。他大胆提出,利用我国贵州省的喀斯特洼地作为望远镜台址,建设巨型球面望远镜作为国际平方公里阵列射电望远镜的单元,并立即启动贵州选址工作。

其实是抛物面和球面之间的一个机缘巧合。

调试工作的担子显得尤其重。

“为了选址,南老师当时几乎踏遍了那里的所有洼地。”南仁东的学生、FAST工程接收机与终端系统高级工程师甘恒谦回忆,当时,南仁东带着300多幅卫星遥感图,跋涉在中国西南的大山里,“有的荒山野岭连条小路也没有,当地农民走着都费劲”。

一束平行光打过来,可以汇聚到焦点——这是只有抛物面才有的几何特性,所以传统望镜的工作反射面都是抛物面的形状。但抛物面跟球面到底有多大差距?过去的人没怎么关注。直到上个世纪,中国天文学家好奇地进行了计算,得到的结果出乎很多人的意料——一个300米的抛物面,只要选择合适的焦点,球面和抛物面偏离的最大距离只有0.47米,这0.47米就成为了一个重大突破方案的可能性。

刚开始调试望远镜时,项目现场没有即时通信设备,联络“基本靠吼”。光是为了找人干活,姜鹏每天就能在楼里跑上一万多步。

访山归来,南仁东心里有了底,正式提出利用喀斯特洼地建设射电望远镜的设想。经过多年的论证,2007年7月,FAST作为“十一五”重大科学装置正式被国家批准立项;2008年,国家发改委批复了FAST的可行性研究报告;2009年,中科院和贵州省人民政府联合批复了FAST项目初步设计及概算。

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就算不在贵州,他也恨不得立刻赶到现场救急。

2016年9月25日,500米口径球面射电望远镜竣工,最终建成的FAST拥有500米的口径、相当于30个足球场的接收面积。如果在国际上做一个横向比较,FAST与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,灵敏度提高约10倍;比排在“阿波罗”登月之前、被评为人类20世纪十大工程之首的美国“阿雷西博”305米望远镜,综合性能提高约10倍。建造FAST的“窝凼”——几百米的山洼被四面的山体环绕,正好挡住外面的电磁波。这个世界第一大单口径射电望远镜,可以观测脉冲星、中性氢、黑洞等等这些宇宙形成时期的信息,以及捕捉来自外星生命的信号。

有了这个发现,我们就大概形成了一个方案:先建造一个基准球面,然后设置一群可以微微改变反射形状的微小驱动装置,这样就可以在它局部区域形成一个300米的抛物面。比如我们想观测S2圆,只需要在左下角形成一个抛物面;如果想观测S1圆,只需要在右下角形成一个抛物面。我们可以让抛物面在球面上运动,对天体进行跟踪,并进行扫描等等一些观测。那余下的问题就是,如何把接收机以正确姿态放在焦点的位置上。

一天夜里,索网突然出现多根索应力超限的情况,安全系统发出警报。所有人的心都提到嗓子眼。若不能及时找出问题,后果将不堪设想。

从1994年开始主持FAST项目的选址、立项、可行性研究及初步设计,主编科学目标,指导各项关键技术的研究及其模型试验,历经22年,南仁东带领团队最终建成了“中国天眼”。“南老师这20多年只做了这一件事。”他的同事和学生们说。在这8000多个殚精竭虑的日子里,南仁东带领老中青三代科技工作者克服了不可想象的困难,实现了由跟踪模仿到集成创新的跨越。“南老师推动了世界独一无二的项目。”FAST项目副总工程师李菂说:“他的执着和直率最让人佩服。”

要把这个概念真的做成一个望远镜,还有三件事要做——

“这么多超限的索,肯定不是一下冒出来的,必须暂停运行认真排查原因。”姜鹏迅速在工作群中回复:“面索应力超限,一定要停。”得知现场工作人员及时停止运行开始排查,他才松了口气。

“造不好,怎么对得起人家?”

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即便对种种意外做好了充分的准备,姜鹏的神经也总是绷着的。FAST调试测量组组长、与姜鹏共事多年的于东俊告诉《中国科学报》记者,向来“心理素质很好”的姜鹏自从进入调试期体重开始往下掉,甚至达到了历史低值。

留着八字胡、目光凌厉,“一看就是‘头儿’”,这是姜鹏对南仁东的第一印象。在成为南仁东的助理,熟知他的过往经历后,FAST工程调试组组长、研究员姜鹏觉得“他的人生充满的是调皮、义气、玩世不恭,甚至有些捣蛋”。

第一件事,要选一个合适的台址。首先,要找个天然的、这么大的洼坑,如果在平地上人工挖掘,几台望远镜的成本投入进去可能都不够;而且,这个地方要远离人口密集区域,因为天体信号非常暗弱,大量存在各种干扰源不利于观测;此外,不能有积水,同时还要有非常优良的地质条件——而所有这些因素都在贵州的喀斯特洼地上具备,这也是后来选这个地方做台址的主要原因。

以前,为了让FAST项目尽早出成果,即便是最差的情况,姜鹏也总能“找出一条路走”。如今的他却不肯给自己留退路。调试电气组组长甘恒谦回忆一次闲聊时,姜鹏告诉他,“其实有时候已经挺满意的了,但还想往前再推一推。”

身材瘦小的南仁东的确是个“传奇”。他于1945年出生在辽源市龙山区,1963年,南仁东以高考平均98.6分的优异成绩成为“吉林省理科状元”,并考入清华大学无线电系,是当地10年间唯一考入清华大学的高才生。根据他的老友,FAST工程顾问、高级工程师斯可克回忆,毕业后,他俩在吉林通化无线电厂开模具,南仁东从冲压、钣金、电镀等“粗活”到土建水利样样都学,更带领技术员们生产出中国第一代电子计算器。但在选择硕士专业的时候,南仁东却不按常理出牌,他考取的是中国科学院的天文学研究生,跨入了与此前专业差异很大的天文领域,并“一发不可收拾”。

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经过一年多的调试,“天眼”的视力更好了——望远镜系统对设备故障的容忍度大大提升,功能性调试任务也基本完成.

20世纪,无线电波打开了现代天文观测在不可见光领域的“窗口”,能够接收来自宇宙的电磁信号的优良观测设备就成为在这一领域一决高下的“利器”。南仁东深知要让中国的天文观测重回世界高地,建造大型观测设备是当务之急。

第二件事,实现球面到抛物面之间的变化。现在大家去看FAST,可能会觉得本身就该如此——但事实上,建造过程中经历了很多很多变化。最早,我们想在洼地里布置2000多台促动器,促动器挂着面板进行变位,但是这种方式需要有大量的维修工作,很难解决。后来,就采用更清洁的方式,就是索网;其实中间还提过索联网机等等一些方案。索网到底是采用三角形网格,还是采用四边形网格?是挂在周围的山体上,还是单独做一个环形的支撑结构?控制索是一根还是选择三根?这一切的方案都需要精细的计算、分析和论证,最后才能确定。

接棒者

“感官安宁,万籁无声。美丽的宇宙太空以它的神秘和绚丽,召唤我们踏过平庸,进入它无垠的广袤。”南仁东以这句话表达了他对星空的追求。“别人都有自己的大设备,我们没有,我挺想试一试。”他说,他心中最大的梦想,就是把大窝凼变成一个现代机械美感与自然环境完美契合的天文观测奇迹。

最后一件事,就是怎么实现接收机的精准定位。最早的Arecibo就提出一个方案:先做个大平台,然后再把接收机放在平台上进行运动、控制。但是,巨大平台有很多问题,比如天体的发出的电磁波是从正上方下来,所以它首先要把有效的电磁波挡掉一部分,望远镜的口径效率上很难实现;而且信号会在平台和反射面之间震荡形成驻波;另外还有一点,它附近还有机场,机场这种干扰信号经过平台之后也会进入到望远镜里,所以它抗干扰能力也比较弱。

“我发现你不大犯错误。”姜鹏进组没多久,南仁东给他这样一句评价。

为了推动立项,他成了“推销员”,设法参加国际会议,逢人就推销项目。“我开始拍全世界的马屁,让全世界来支持我们。”南仁东曾这样自嘲。为了寻求技术上的合作,南仁东北上哈尔滨工业大学,南下同济大学,继而奔赴西安电子科技大学。

我们就想,用什么方式来形成更好的方案呢?

如今的姜鹏已经从一个“不出错”的天文学“门外汉”,成为整个项目的协调者。

终于争取到立项,南仁东的反应却不是欣喜若狂。从2011年开工令下达起,在5年半的工程建设过程中,先后150多家国内企业、20余家科研单位、数千人的施工队伍相继投入FAST建设,这么大的射电望远镜建设,关键技术无先例可循、关键材料急需攻关、现场施工环境非常复杂,工程的艰难程度远超出想象。可想而知,南仁东肩上的担子,压得很重。

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在姜鹏看来,庞杂又巨大的FAST似乎像是为南仁东而生,因为没有人像他一样有丰富的知识储备:懂天文、力学、无线电,还了解金属工艺,会画工程图……

在2010年,FAST曾遇到建造以来的一场近乎灾难性的风险。据姜鹏回忆,2010年,他们对买自知名企业的十余根钢索结构进行疲劳实验,结果全部以失败告终,没有一例能满足FAST的使用要求。当时,台址开挖工程已经开始,设备基础工程迫在眉睫,可由于购买的材料达不到工程要求,反射面的结构形式迟迟定不下来。

最后FAST提出的概念,超乎想象。它通过六根钢索控制一个30吨的馈源舱,这种方式可以实现精确定位,然后把接收机在放在舱里头。但这个概念很难实现,而且通过六根钢索只能控制舱的位置,而接收机本身不仅仅需要控制位置,还要控制姿态,因为它的指向应该是主光轴的方向。六根钢索不足以实现整个馈源舱姿态的全部精确控制,所以在里边又做了套A-B轴机构辅助接收机进行姿态的控制。这么大一套柔性系统,它的跨度大概有600米,遇到风等某些因素会产生震动,怎么办?所以在它的下平台做一套Stewart平台,起到稳定的作用。这就形成了一个非常复杂的控制系统。所以,我们经常说FAST这个方案,只有天文学家敢想得出来;我们做工程的人很敢蛮想这些现象。

跟随南仁东多年的姜鹏似乎在不经意间,也跟随着他前进的步伐。

为了解决这个问题,南仁东提出用弹簧作为弹性变形的载体,来解决钢索疲劳问题。在姜鹏看来,这有些异想天开。“在我看来真有点天马行空,不可思议。”姜鹏说,“但他就是希望大家能发散思维。”

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为了把望远镜调试到最佳状态,姜鹏必须深入到项目的每一个领域,了解相关知识。甘恒谦表示,项目每每遇到新需求,姜鹏一定会先做调研,“他学习东西非常快,对一个事情的把握,直觉很准”。

然而,用弹簧仍然是行不通的。在姜鹏最后一次向南仁东论述了弹簧方案不可行之后,他清晰地记得,空旷的会议室里,南仁东背着手站在黑板前,盯着那草图,“像一个无助的孩子。”姜鹏说:“我当时很难理解,这样的大科学家也会手足无措。”但他很快就明白南仁东的压力之大。“他寝食难安,天天与我们技术人员沟通,想方设法在工艺、材料等方面寻找解决途径,他背负的责任太重了”。

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“做事风格和工作态度都挺像,很务实,不搞虚头巴脑的东西。”于东俊说。

尽管失败带来了打击,但放弃却绝不是科学家的选择。“造不好,怎么对得起人家?”“国家投了那么多钱,国际上又有人说你在吹牛皮,我就得负点责任。”这样的话挂在南仁东嘴边。南仁东决定转向钢索的研制,整个研制工作接近两年,经历了近百次失败。几乎每一次,南仁东都亲临现场,沟通改进措施。最终,研制出满足FAST要求的钢索结构,让FAST渡过了难关。

演讲嘉宾姜鹏:《FAST:贵州群山深处,中国天眼正在睁开》

作为一名党员,长期以来,姜鹏将自己爱国爱党的赤子之心化为对科研工作的执着追求,带领团队克服困难、不忘初心。一次党课上,他表露出自己的心迹:“做设备的人都知道,‘好用’这个词背后的含义。这和做世界最大、最灵敏相比,不是一个量级的难度。我们团队不能忘记的初心,就是要做一台好用的望远镜。”

在长达14年的预研究和建设过程中,南仁东主持FAST科学目标,指导各项关键技术的研究及模型试验,实现了三项自主创新:利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址;洼坑内铺设数千块单元组成500米口径球冠状主动反射面;采用轻型索拖动机构和并联机器人,实现望远镜接收机的高精度定位。突破了一系列技术难题,发明了500MPa耐疲劳拉索,突破了高效握拔力锚固技术、大跨度索网安装和精度控制等难题;提出通过“水环”和运动配重扩大焦舱的运动空间同时增加系统阻尼的设计。

体球网即时比分,有了这个方案之后,FAST开始推动立项,在2011年开始建设。南先生(南仁东,曾任FAST工程首席科学家兼总工程师,2017年9月15日因病逝世)在世的时候说,他一生遇到的最好的一个问题,是来自一个外国友人:你知道500米有多大吗?他当时被问住了,因为500米在我们大多数人心里都是数字,很难真正体验它的尺寸。

为了达到这个目标,姜鹏和团队长期坚守在项目现场。“最开始的时候,现场条件不好,很多最基本的工作都面临考验,我们团队里的人大多已结婚生子,每个月二十多天的现场工作,意味着要对家庭做出很大牺牲,如果调试工作没有他们,是不可能走到今天的。”姜鹏说。

“懂无线电、焊接、机械的天文学家”

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若进展顺利,2019年项目将进入验收阶段。这意味着之后越来越多的科学家将成为舞台上的主角,利用FAST做出科研成果。

有人说,FAST成就了南仁东。但实际上,早在FAST之前,南仁东就已经是著名的天文学家。1984年,南仁东使用国际甚长基线网对活动星系核进行系统观测研究,在这一领域的早期发展阶段,主持完成欧洲及全球网10余次观测,首次在国际上应用VLBI“快照”模式,取得丰富的天体物理成果;VLBI混合成图达到当时国际最高动态范围水平,使20世纪80年代国内进行VLBI数据分析成为可能。

我们有一些好奇的同事真的算了一下:如果把FAST想成一口装满水的锅,全世界70亿人每人可以分四瓶矿泉水,够喝一天。

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