走向世界的“河北造”｜河北造“世界天眼”：追星逐月 探秘苍穹
民生
2024-11-19 22:28
河北
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时下，北半球已进入寒风瑟瑟的初冬，而南半球正春暖花开。在南非共和国北开普省卡那封镇，一台21米高的碟型射电望远镜天线矗立在戈壁滩上，静静地“凝望”天空，捕捉着来自浩瀚宇宙的电波。
这是正在建设中的国际大科学工程项目——SKA（Square Kilometre Array，平方公里阵列）射电望远镜装置的组成部分。建设现场忙碌的中国工程师团队，表明天线来自万里之外的中国。中国电科网通院工程技术人员在南非SKA台址装配射电望远镜天线。中国电科网通院供图“这批天线7月31日从石家庄启运，经海路送到南非SKA台址，目前正在组装和测试。”中国电科网络通信研究院（以下简称“中国电科网通院”）SKA中频反射面天线结构项目总设计师杜彪自豪地说，首批天线按期出厂发运是中国政府落实SKA天线阵列实物贡献任务、履行对SKA国际组织承诺的重要里程碑。SKA天线阵列建设即将进入批量生产阶段，这标志着中国在参与这一世界最大射电望远镜工程的道路上又迈出了坚实一步。这批凝结了他们数年心血的SKA中频反射面射电望远镜天线（以下简称“SKA天线”），不仅结构设计上全球领先，综合性能的多项指标也处于世界先进水平。作为SKA的核心设备，这些天线将组合成阵列，探索第一代天体形成、星系演化、宇宙磁场等国际大科学问题。“我们很荣幸能参与这项宏伟的国际工程，愿这些凝结了无数科研人员心血的河北造‘世界天眼’，助力人类完成探索宇宙奥秘的神圣使命。”杜彪深情地说。“天何所沓？十二焉分？日月安属？列星安陈？”早在两千多年前，伟大诗人屈原即以长诗《天问》向上苍发出对于宇宙天地本源的叩问。直到如今，人类对宇宙的探索也未曾停歇。20世纪90年代初，包含中国在内的多国天文学家联合倡议筹建下一代大射电望远镜LT（Large Telescope，1999年易名为SKA）。2012年，SKA国际组织决定采用“双台址”方案，即选择南非和澳大利亚人烟稀少、广袤无垠的无线电宁静区，分别建设中频和低频天线阵列。中频阵列以南非为核心，这里将安装超过2500台15米口径的碟型反射面天线。杨丰福（右）和同事探讨SKA天线力学仿真结构。河北经济日报记者 袁立朋 摄“相比单口径射电望远镜天线，SKA天线阵列的优势在于将分布在3000公里范围内的天线组合在一起，形成总接收面积达1平方公里的天线阵列，从而拥有了极高的灵敏度和分辨率、极快的巡天速度、广泛的频率覆盖能力，成为人类探测宇宙的超强工具。”杜彪说。今年交付的SKA天线采用了“信噪比”更高的“格里高利”光学系统布局，这种布局形式对天线光学效率与波束变形、指向精度等核心指标都提出了极高要求，给研发和设计带来了前所未有的挑战。“这是一次‘前无古人’的设计。此前，国内没有能够完全满足SKA天线技术指标要求的设计方案。”中国电科网通院SKA力学仿真系统负责人杨丰福说，从2016年开始，他们决心啃下这块硬骨头。对天线中心支撑体结构的优化，曾是让杨丰福消耗精力最多的工作。在现有设计约束条件下，早期的天线结构原型一阶谐振频率只能到1.9赫兹，“这意味着天线在扫描状态工作时达不到设计指标要求。”杨丰福被迫调整设计思路。然而，虽然增加结构材料能够提高天线结构刚度，但增加的材料会使系统增重，进而又拉低谐振频率。一时间，杨丰福陷入两难境地。“这是一个设计瓶颈，我必须找到刚度和重量的平衡点。”接下来的时间里，他进入了“疯狂”计算状态。当他在天线中心支撑体设计中引入更先进的拓扑优化算法后，数据逐渐由“无解”趋向“有解”，1.91赫兹、1.92赫兹……终于达到2.5赫兹。“成功了！这种材料分布形式的结构就是我要找的最优解。”杨丰福兴奋不已。此时的他，已经记不得与毫厘之差的数据“鏖战”了多少个日夜，优化迭代了多少个算法版本。2023年9月20日，首台SKA天线在位于石家庄市鹿泉区的测试场完成吊装。在10米高的底座上，巨大的碟形天线缓缓转动，扫描天穹，“谐振频率正常、指向精度正常……”听着同事们传来的消息，杨丰福异常欣慰。SKA天线阵列的强大，不在于单个天线的口径大小，而在于阵列优势。位于我国贵州的“中国天眼”FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope），是目前世界上最大的单口径射电望远镜。如果说FAST是探秘宇宙的一位“超级英雄”，那么SKA天线阵列就相当于“第一军团”。当接收到观测指令时，分布在3000公里范围内的几千面天线，将会同步对准同一观测目标，步调一致地持续跟踪观测，从而实现最大的接收效率。中国电科网通院研发的SKA天线俯仰运动范围为15°到90°，方位运动范围为正负270°。如何让约50吨重的天线指向精准，耿旭光负责的天线伺服控制系统成为关键。耿旭光在电磁兼容实验室内检查实验设备连接状态。河北经济日报记者 袁立朋 摄“射电望远镜天线寻找天体时，指向精度以角秒为单位，3600角秒等于1度。天线的伺服控制系统必须实现极高的精微控制水平，才能满足观测要求。”耿旭光介绍说，SKA天线比以往的射电望远镜天线有更高的指向精度要求，小到1角秒的偏差，可能会使实际观测距离产生近半光年的距离误差，导致观测失败。之前的经验用不到新设备上，耿旭光埋头扎进国外资料堆里，写方案、做实验、分析结果、更新方案，如此循环往复。迭代数次后，耿旭光拿出一套天线伺服控制器的优化算法，增加了轨迹规划等新功能。同时，他对伺服系统的滚珠丝杠机构进行深入计算，采用了可变减速比、逼近拟合算法、分区参数优化等办法，进一步提升了伺服系统的控制精度。“滚珠丝杠机构是高精度伺服设备最理想的选择，只要我们持续优化，就一定能让精密度更上一层楼。”耿旭光很自信。与此同时，天线也需要用光学标校的方式进行精度校准。耿旭光和同事们又开始“追星”之旅。每天夜幕降临，他们准时来到测试场，通过传统光学望远镜对天线伺服机构进行精度标校，一直工作到启明星升起。“只有通过光学和电子双重标校的设备，才是稳定可靠的。”每台设备标校都要进行多轮，时间往往以月计。精诚所至，金石为开。天线伺服系统验收时，运动精度达到了0.5角秒，远远超越了设计标准，耿旭光和同事们击掌相庆。中国SKA专项专家委员会总工程师王枫介绍说，SKA阵列建成后，将比目前世界最大的厘米波射电望远镜阵列灵敏度提高50倍、巡天速度提高10000倍，其综合性能将在本世纪至少保持30年至50年的领先地位。“我的工作比较有趣，主要是玩‘乐高游戏’。”中国电科网通院SKA天线结构总工艺师王建永经常这样调侃。他的职责是进行天线总装，与其他工程师相比，王建永的任务处于研发生产流程的后期。天线能否“看”得更准，不仅取决于设计和制造的质量，还取决于天线结构能否提供足够的稳定性。王建永（中）和同事探讨SKA天线总装工艺。河北经济日报记者 袁立朋 摄SKA天线采用了双偏置构造，由主副反射面、换馈机构以及支臂构成。主反射面是15米×20米的长六边形空间网架结构，由66块曲率各不相同的三角形面板拼装而成，面积达235平方米。天线背部由300多根拉杆、100多个螺栓球组成骨架，支撑面板在运动时克服重力、温度和风力等影响，保持天线稳定。这种结构好处在于灵活，但也给天线稳定性带来极大挑战。“以前的天线面板单元都是扇形，SKA天线使用了曲率各不相同的三角形分块，颠覆了以往的设计。”王建永说，这对装配提出了更高要求，主反射面的面形精度误差均方根值要小于0.25毫米，副反射面的面形精度误差均方根值要小于0.15毫米。只有这样，天线的波束变形误差均方根值才能满足要求。“其实这也像搭乐高积木，每一步都要精细操作，才能做出与众不同的作品。”如何装配才能达标？王建永设计了4种装配流程，进行优化匹配，最终找到了一个最优方案，使面板装配精度控制到0.2毫米之内，精度超过目前所有同类天线。在进行俯仰轴承安装时，设计标准要做到轴承装配误差不超过0.01毫米，而当时国际上同规格天线的轴承装配误差是0.1毫米，标准一下子提高10倍。“这个指标，相当于几乎完全消除机械运动对天线稳定性的影响，简直是一座难以逾越的大山。”王建永冷静下来，召集同事们讨论思路。实现这么高的标准，不仅意味着整个装配流程要重塑，而且装配工具也必须更新换代，以匹配前所未有的高精度要求。他们着手紧急采购，却发现市场上根本没有这么高标准的产品。“自己设计，打造一套咱们独有的‘兵器’！”王建永和同事们达成一致，开始沉下心来设计高精度专用装配工具。与此同时，装配流程也紧锣密鼓重新设计，尽可能将误差降到最低。耗时整整一个月，一套全新的流程诞生了。大家使用新设计的工具进行了组装测试。测试结果显示，误差小于0.01毫米。“超级稳定的天线问世了！”欢呼声又一次响起在车间。SKA天文台宣传外联部主任威廉·加尼尔说，中国电科网络通信研究院承建SKA首批共64台中频反射面天线项目，是国际同行对该院在射电天文领域天线结构的研发、设计和生产能力的认可，“我们期待继续合作，共同交付世界上最强大的射电望远镜。”日迈月征，草木渐丰。南非即将迎来又一个热闹的夏天，越来越多的“河北造”SKA天线也将在这里拔地而起，为探秘茫茫宇宙默默地贡献中国力量。编辑/ 一审：杨伟霄 申安平 张淼然
二审：冯士杰
三审：王建忠
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