“地球巨眼”迎来建设阶段首颗“中国之眸”

——全球最大射电天文望远镜阵列首台中频天线正式吊装

中国青年报  |  2023-09-21作者:中青报·中青网记者 邱晨辉 见习记者 李瑞璇

    备受瞩目的“地球巨眼”——国际大科学工程平方公里阵列射电望远镜(SKA)项目建设迎来重要进展,其建设阶段第一颗“中国之眸”正式落地了。

    9月20日,我国参与研制的SKA项目进入建设阶段以来的首台中频天线,在中国电科网络通信研究院测试现场正式吊装,不久后将被运往位于南非的目的地。这标志着SKA中频天线结构已经基本达到技术就绪和批量生产状态,正式进入建设阶段。

    “SKA将为人类认识宇宙提供重要机遇,开启人类探测宇宙的新纪元。”中国电科首席科学家郑元鹏说,建设阶段首台天线吊装完成,标志着我国在SKA核心设备研发中发挥引领和主导作用,在国际大科学工程中成功提供“天线解决方案”。

    SKA是由全球多国合资建造和运行的世界最大规模综合孔径射电望远镜,被称作“地球巨眼”,其台址分别位于南非及南部非洲8国、澳大利亚西部的无线电宁静区域。SKA建成后将比目前最大的射电望远镜阵列灵敏度提高50倍,巡天速度提高1万倍。

    在约3000公里的广袤荒野中,3000面天线组成的望远镜静伏于地球表面,观测宇宙深处最神秘的电波——这就是SKA建成之后可预见的景象。SKA天文台宣传外联部主任威廉·加尼尔介绍,从规模层面来讲,SKA组成阵列的射电望远镜总接收面积达1平方公里,相当于140个足球场的面积。

    如此庞大的工程并非一国之力可以完成。20世纪90年代初,在来自约20个国家的上百个大学和科研机构的天文学家和工程师的努力下,人类有史以来在建的最大综合孔径射电望远镜SKA应运而生。

    “SKA寄予着人类了解宇宙和生命奥秘的使命,探测宇宙、星系的起源和演化,寻找更多的星系,探寻孕育生命的新摇篮,搜索外星生命等都是SKA未来将致力于揭示的基本问题。”郑元鹏说。

    作为人类探寻宇宙样貌的“地球巨眼”,SKA要获得对宇宙目标的“精准画像”,除了得天独厚的站址条件外,更不可缺少的是一道道投射出去的“天线”。SKA中频天线集多种关键技术于一身,能够实现准确地“听音辨位”,是“地球巨眼”的核心设备。

    这也是摆在SKA中频天线结构项目总设计师杜彪面前的难题:天线要实现准确地“听音辨位”,需要具有较高的灵敏度和指向精度;专注于宇宙目标,则需具备高电磁屏蔽能力,以屏蔽电子设备的电磁辐射干扰,这些带来的设计与研发挑战是前所未有的。

    为解决这一世界性技术难题,杜彪与相关团队对伺服控制系统设计、动态仿真、标校、调试、测试方法和测试验证等一系列关键技术开展攻关,最终完成了高电磁兼容性伺服控制系统的设计、加工和集成工作。

    由于SKA中频天线中心区域阵列建在南非卡鲁地区,天线的运输、集中建设、运行、后期维护等都是技术人员需要重点考虑的问题。SKA中频天线结构项目负责人王大为表示,为了便于运输与组装,他和团队对天线反射体、座架、方位俯仰机构和轴承进行了模块化设计,使得各模块就像一块块积木部件一样易于拆装;为方便设备维护,他们将驱动器、电机、减速机等结构设计为现场可更换单元,“在现场随时可换,无须返场维护,更方便了设备维护运营”。

    SKA中频天线是一台15米口径的赋形双偏置格里高利天线,天线反射体由主反射体、副反射体、换馈机构以及支臂构成。这是SKA的最终形态,也是SKA中频天线结构项目设计师杨晋蓉与团队的心血。

    制作66块面板是杨晋蓉面对的第一个挑战,为此他们耗费了3个月。按照要求,整个天线的主反射面是一个六边形空间的网架结构,由66块不同曲率的铝合金三角形面板组成。由于这66块面板的曲率各不相同,所以需要制造66个专用的模具。

    “我们的面板精度达到了0.05-0.12毫米,面形精度优于100微米,还不及两根头发丝的厚度,这代表了国内面板设计与制造的最高水平。”杨晋蓉说,为易于实现高精度,也便于维护和快速安装,天线主反射体采用了高精度空间网架结构和三角形铝合金面板。

    高精度要求的背后,是每一个安装环节的极致精密。为此工艺师们经过几十次试验,构建了4个计算模型,反复研究装配流程,历经两个多月才完全掌握最佳安装方法。

    天线宛如一个尚在襁褓中的婴儿,需要各方专家精心维护,容不得半点干扰。为降低设备运行产生的电磁辐射对天线的影响,电磁屏蔽舱研制技术负责人窦玉超带领团队寻找技术“最优解”。

    “这是一个非常大的挑战。”窦玉超说,“这个空间不大,里面容纳了非常多的设备。考虑到天线是在沙漠环境中工作,要留通风孔用于散热,还要留进出电缆的通道、人维护的空间,无论是如何布置空间还是实现电磁屏蔽性能,都是很难完成的任务。”

    经过一年时间,此问题得以解决。其间团队反复论证,结合每台设备的功率、发热量等情况进行合理布局。研制团队透露,方案大调整有四五次,微调有几十次,历时一年才找到最优方案。

    “我们作为SKA天线结构工作包联盟的牵头单位,联合团队内部来自南非、意大利等国的科研及工业机构,将共同完成SKA天线结构工作包天线的建设任务。”中国电科网络通信研究院党委书记徐小刚说,“我们将继续深化国际交流合作,加强与各方通力配合,为SKA大科学工程建设贡献中国智慧和中国力量。”

    记者了解到,此次吊装完成之后,中国电科还将陆续完成SKA建设阶段首批64台中频天线的安装。

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