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(yuǎn)鏡陣列首臺中頻天線在位于河北石家莊的中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院正式吊裝。這是國際大科學(xué)工程平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡項目（以下簡稱“SKA”）進(jìn)入建設(shè)階段以來建成的首臺天線，標(biāo)志著中國在SKA核心設(shè)備研發(fā)中發(fā)揮了引領(lǐng)和主導(dǎo)作用。

“SKA將為人類認(rèn)識宇宙提供重要機遇，開啟人類探測宇宙的新紀(jì)元。”中國電科首席科學(xué)家鄭元鵬表示，SKA肩負(fù)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(guān)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?lián)u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(jì)90年代初，是人類有史以來在建的最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，也是多國合作、共同出資的國際大科學(xué)工程。”中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院總監(jiān)馬英昌介紹，全球約20個國家上百所大學(xué)和科研機構(gòu)的天文學(xué)家與工程師參與項目研發(fā)，其組成陣列的射電望遠(yuǎn)鏡總接收面積達(dá)1平方公里，相當(dāng)于140個足球場的面積。

據(jù)了解，SKA在澳大利亞、南非等8國設(shè)有臺址，在約3000公里的廣袤荒野，將建設(shè)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(lián)部主任威廉·加尼爾告訴記者，作為人類歷史上建造規(guī)模最大的射電望遠(yuǎn)鏡，SKA建成后將成為地球上最大的科學(xué)設(shè)施，比目前最大的射電望遠(yuǎn)鏡陣列靈敏度高50倍，巡天速度高10000倍。

“中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院作為SKA天線結(jié)構(gòu)工作包聯(lián)盟的牽頭單位，聯(lián)合來自南非、意大利等國的科研及工業(yè)機構(gòu)，將共同完成SKA天線結(jié)構(gòu)工作包天線的建設(shè)任務(wù)。”馬英昌說。

“聽音辨位”匯聚創(chuàng)新結(jié)晶

對宇宙目標(biāo)“精準(zhǔn)畫像”，除了得天獨厚的站址條件外，還要準(zhǔn)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(shè)備的電磁輻射干擾，讓天線更加專注于宇宙目標(biāo)。

上述要求離不開集多種關(guān)鍵技術(shù)于一身的SKA中頻天線。

SKA中頻天線結(jié)構(gòu)項目總設(shè)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(guān)鍵指標(biāo)提出了極高要求，帶給設(shè)計與研發(fā)的挑戰(zhàn)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(shù)難題，我們對伺服控制系統(tǒng)設(shè)計、動態(tài)仿真、標(biāo)校、調(diào)試、測試方法和驗證等一系列關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)，完成了高電磁兼容性伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計、加工和集成工作。”

據(jù)悉，SKA中頻天線的伺服控制系統(tǒng)需要滿足高電磁屏蔽指標(biāo)，才能實現(xiàn)高靈敏度觀測。同時，采用全數(shù)字高精度伺服驅(qū)動控制設(shè)計及高精度座架和天線結(jié)構(gòu)的保型設(shè)計，從而實現(xiàn)千分之三度的高指向精度。當(dāng)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(zhǔn)同一觀測目標(biāo)，持續(xù)同步跟蹤觀測，實現(xiàn)最大的接收效率。

SKA中頻天線中心區(qū)域陣列建在南非卡魯?shù)貐^(qū)，屬于干旱臺地高原，因此天線的運輸、集中建設(shè)、運行、后期維護(hù)等都成為技術(shù)人員需要重點考慮的問題。“針對批量化建設(shè)、沙漠環(huán)境安裝集成以及使用維護(hù)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(gòu)和軸承進(jìn)行了模塊化設(shè)計，各模塊部件像積木一樣易于拆裝。驅(qū)動器、電機、減速機等結(jié)構(gòu)則被設(shè)計為現(xiàn)場可更換單元，無需返場維護(hù)，便于設(shè)備維護(hù)。”SKA中頻天線結(jié)構(gòu)項目負(fù)責(zé)人王大為說。

精益求精探尋技術(shù)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(gòu)和支臂構(gòu)成。“天線主反射體采用高精度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和三角形鋁合金面板材質(zhì)，在實現(xiàn)高精度的同時，也便于維護(hù)和快速安裝。”SKA中頻天線結(jié)構(gòu)項目設(shè)計師楊晉蓉介紹，“我們的面板精度達(dá)到0.03～0.1毫米，面形精度優(yōu)于100微米，還不及兩根頭發(fā)絲的厚度，代表了國內(nèi)面板設(shè)計與制造的最高水平。”

高精度要求的背后，是每一個安裝環(huán)節(jié)的極致精密。

SKA中頻天線的背架是空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，采用螺栓球與拉桿螺連的方式安裝。SKA中頻天線結(jié)構(gòu)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(shù)量不盡相同，最多可達(dá)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(wǎng)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(jīng)過幾十次試驗，構(gòu)建出4個計算模型，并反復(fù)研究裝配流程，歷經(jīng)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(nèi)部有一個設(shè)備艙，用來安裝望遠(yuǎn)鏡所有電子設(shè)備。由于設(shè)備運行會產(chǎn)生電磁輻射，為降低輻射對天線的影響，設(shè)備艙需要較強的電磁屏蔽性能。

“考慮到天線是在沙漠環(huán)境中工作的，要留通風(fēng)孔用于散熱，還要留進(jìn)出電纜的通道、人維護(hù)的空間……別看空間不大，里面卻容納了非常多的設(shè)備。如何布置，如何實現(xiàn)電磁屏蔽性能，絕對是個大挑戰(zhàn)！”電磁屏蔽艙研制技術(shù)負(fù)責(zé)人竇玉超感慨。

最終，團(tuán)隊經(jīng)過反復(fù)論證，結(jié)合每臺設(shè)備的功率、發(fā)熱量等進(jìn)行合理布局。“光是大的方案調(diào)整就有四五次，微調(diào)更有幾十次，我們用了1年時間才找到最優(yōu)方案。”竇玉超說，找到技術(shù)最優(yōu)解，是團(tuán)隊始終的追求。

（光明日報記者 崔興毅）

來源： 光明日報