為“地球巨眼”裝上“中國之眸”

SKA首臺中頻天線研制成功后正式吊裝。本報記者崔興毅攝/光明圖片

9月20日，中國電科牽頭研制的全球最大射電天文望遠鏡陣列首臺中頻天線在位于河北石家莊的中國電科網絡通信研究院正式吊裝。這是國際大科學工程平方公里陣列射電望遠鏡項目（以下簡稱“SKA”）進入建設階段以來建成的首臺天線，標志著中國在SKA核心設備研發中發揮了引領和主導作用。

“SKA將為人類認識宇宙提供重要機遇，開啟人類探測宇宙的新紀元。”中國電科首席科學家鄭元鵬表示，SKA肩負著人類了解宇宙和生命奧秘的使命，將致力于揭示全球各國和人類共同關心的一些基本問題，如探測宇宙、星系的起源和演化，尋找更多的星系，探尋孕育生命的新搖籃，搜索外星生命等。

“地球巨眼”洞悉宇宙奧秘

“SKA項目始于20世紀90年代初，是人類有史以來在建的最大綜合孔徑射電望遠鏡，也是多國合作、共同出資的國際大科學工程。”中國電科網絡通信研究院總監馬英昌介紹，全球約20個國家上百所大學和科研機構的天文學家與工程師參與項目研發，其組成陣列的射電望遠鏡總接收面積達1平方公里，相當于140個足球場的面積。

據了解，SKA在澳大利亞、南非等8國設有臺址，在約3000公里的廣袤荒野，將建設約3000面天線，組成1平方公里大的“地球巨眼”，靜伏于地球表面觀測宇宙深處最神秘的聲音。SKA天文臺宣傳外聯部主任威廉·加尼爾告訴記者，作為人類歷史上建造規模最大的射電望遠鏡，SKA建成后將成為地球上最大的科學設施，比目前最大的射電望遠鏡陣列靈敏度高50倍，巡天速度高10000倍。

“中國電科網絡通信研究院作為SKA天線結構工作包聯盟的牽頭單位，聯合來自南非、意大利等國的科研及工業機構，將共同完成SKA天線結構工作包天線的建設任務。”馬英昌說。

“聽音辨位”匯聚創新結晶

對宇宙目標“精準畫像”，除了得天獨厚的站址條件外，還要準確地“聽音辨位”——這就需要較高的靈敏度和指向精度，還得屏蔽電子設備的電磁輻射干擾，讓天線更加專注于宇宙目標。

上述要求離不開集多種關鍵技術于一身的SKA中頻天線。

SKA中頻天線結構項目總設計師杜彪介紹，SKA中頻天線對效率與波束變形、指向精度、電磁屏蔽與電磁兼容等核心關鍵指標提出了極高要求，帶給設計與研發的挑戰前所未有。“為滿足高電磁兼容性和高指向精度的世界性技術難題，我們對伺服控制系統設計、動態仿真、標校、調試、測試方法和驗證等一系列關鍵技術開展攻關，完成了高電磁兼容性伺服控制系統的設計、加工和集成工作。”

據悉，SKA中頻天線的伺服控制系統需要滿足高電磁屏蔽指標，才能實現高靈敏度觀測。同時，采用全數字高精度伺服驅動控制設計及高精度座架和天線結構的保型設計，從而實現千分之三度的高指向精度。當接收到觀測指令時，分布在上千公里范圍的幾千面天線將精確地同步對準同一觀測目標，持續同步跟蹤觀測，實現最大的接收效率。

SKA中頻天線中心區域陣列建在南非卡魯地區，屬于干旱臺地高原，因此天線的運輸、集中建設、運行、后期維護等都成為技術人員需要重點考慮的問題。“針對批量化建設、沙漠環境安裝集成以及使用維護的特點，為了便于運輸與組裝，我們對天線反射體、座架、方位俯仰機構和軸承進行了模塊化設計，各模塊部件像積木一樣易于拆裝。驅動器、電機、減速機等結構則被設計為現場可更換單元，無需返場維護，便于設備維護。”SKA中頻天線結構項目負責人王大為說。

精益求精探尋技術極致

SKA中頻天線是一臺15米口徑的賦形雙偏置格里高利天線，天線反射體由主反射體、副反射體、換饋機構和支臂構成。“天線主反射體采用高精度空間網架結構和三角形鋁合金面板材質，在實現高精度的同時，也便于維護和快速安裝。”SKA中頻天線結構項目設計師楊晉蓉介紹，“我們的面板精度達到0.03～0.1毫米，面形精度優于100微米，還不及兩根頭發絲的厚度，代表了國內面板設計與制造的最高水平。”

高精度要求的背后，是每一個安裝環節的極致精密。

SKA中頻天線的背架是空間網架結構，采用螺栓球與拉桿螺連的方式安裝。SKA中頻天線結構項目工藝師王建永介紹，一面天線上有100余個螺栓球、300余根拉桿，100余個螺栓球上的螺孔數量不盡相同，最多可達12個，而且每個螺栓球上的螺孔角度都是唯一的。“也就是說，每個螺栓球在15米×18米×3米的網架中的位置是唯一的，每個螺孔裝哪根拉桿也是唯一的。”

如此精密的位置要求，哪怕有一粒小米大小的誤差，也會裝不上去。為快速、精確完成安裝與拆卸，工藝師們經過幾十次試驗，構建出4個計算模型，并反復研究裝配流程，歷經2個多月才完全掌握最佳安裝方法。“那段時間，腦子里全是螺栓球和拉桿，整天都在琢磨，連做夢都想著。”王建永說。

SKA天線底座的內部有一個設備艙，用來安裝望遠鏡所有電子設備。由于設備運行會產生電磁輻射，為降低輻射對天線的影響，設備艙需要較強的電磁屏蔽性能。

“考慮到天線是在沙漠環境中工作的，要留通風孔用于散熱，還要留進出電纜的通道、人維護的空間……別看空間不大，里面卻容納了非常多的設備。如何布置，如何實現電磁屏蔽性能，絕對是個大挑戰！”電磁屏蔽艙研制技術負責人竇玉超感慨。

最終，團隊經過反復論證，結合每臺設備的功率、發熱量等進行合理布局。“光是大的方案調整就有四五次，微調更有幾十次，我們用了1年時間才找到最優方案。”竇玉超說，找到技術最優解，是團隊始終的追求。

（光明日報記者 崔興毅）

來源： 光明日報