從困難重重到創造奇蹟歷數FAST五年半建設之路

出品| 新浪科技《科學大家》

撰文| 姜鵬中科院國家天文臺研究員、FAST總工程師

千百年來，人類都是通過可見光去觀測宇宙和天體，通過光學望遠鏡，人們發現了銀河系，瞭解到月球表面並不光滑等等。

哈勃望遠鏡的出現使人類對宇宙的觀測更加深入，之前認爲是荒蕪的地方發現了很多星系。這時，人類才反應過來，原來宇宙是由不同的星系組成的。

通過對宇宙的觀測，人類瞭解到宇宙是在不斷膨脹的，這引發暗能量存在的假設，這一系列輝煌的成就都是因爲光學望遠鏡的存在。

用光學望遠鏡觀測宇宙，有幾個比較巧的現象。一是人類的傳感器“眼睛”剛好在可見光波段具有感知能力；二是太陽這類恆量天體在可見光波段發出的能量比較強；三是厚厚的大氣層在這個波段是透明的。

所以我們好像是理所應當的應該用光學望遠鏡來觀測，但其實厚厚的大氣層還隱藏着另外的波段：無線電窗口，但人類不具備這個波段的感知能力，這一波段主要靠射電望遠鏡來觀測。

偶然的機會人類發明了射電望遠鏡

既然人類不具備這個波段的感知能力，那麼人類是如何發現這個波段的呢？比較有意思，Karl Jansky既不是天文學家也不是天文愛好者，卻在偶熱的機會發現了這一波段。

當時有線電話剛剛開始推廣，經常會受到信號干擾，於是貝爾實驗室就委託他去查明原因。

Karl Jansky 建造了一臺天線，通過長時間的觀測，他發現干擾來源是雷暴天氣，同時他又發現了一個非常穩定但又比較弱的干擾信號，24小時一個週期，每天到達的時間都非常固定：比前一天提前4分鐘。

經過一年的觀測，他猜測這個信號源自銀河系中心，他把這些研究成果整理發表在了美國的一本無線電工程學報上面，這本來是一個領域的開篇之作，卻就這樣發表了，從這裏也能看出，Karl Jansky是一個對天文沒多少興趣的人。

後來，另一位雷達工程師雷柏，在大學的時候看到了Karl Jansky的研究成果，認爲非常有意思，便自掏腰包在家裏後花園設計出了第一臺真正意義上的射電望遠鏡，用現在的眼光去看，這臺射電望遠鏡堪稱完美，今天所有的射電望遠鏡都沒脫離這個框架。

通過長時間的觀測，雷柏印證了Karl Jansky的研究結論，這個干擾信號確實來自於銀河系中心，不過大家並沒有忘記Karl Jansky的貢獻，還是尊他爲射電天文學的鼻祖。

綜合口徑技術讓射電望遠鏡 “如虎添翼”

射電天文學剛出現的時候，並沒有得到大家的關注，其核心的原因是，它在分辨率上天生有缺陷。

衡量一臺望遠鏡的好壞主要有兩個指標，一個是靈敏度，一個是分辨率。直到M.Ryle發明了綜合口徑的技術，其基本原理是：用相隔兩地的兩架射電望遠鏡接收同一天體的無線電波，兩束波進行干涉，其等效分辨率最高可以等同於一架口徑相當於兩地之間距離的單口徑射電望遠鏡，因爲此項發明，他獲得1974年諾貝爾物理學獎。

自此，射電望遠鏡的分辨能力得到大大提高，分辨率甚至比光學望遠鏡還要高，今年首張黑洞照片問世，背後所利用的技術就是綜合口徑技術。

自此，射電天文就得到蓬勃發展。1957年，英國人已經把望遠鏡口徑做到76米，1961年，人類在南半球建造了第一臺射電望遠鏡，迄今發現的近三千顆脈衝星中，一半都是這臺望遠鏡發現的。2000年，美國建造了口徑爲100米的望遠鏡。

從雷柏創建的第一臺直到現在，射電望遠鏡的發展歷史其實就是人類追尋靈敏度的歷史。口徑越大，觀測的靈敏度就越高。只有這樣，人類才能觀測到更遙遠的宇宙星系，有助於科學家分析宇宙的演化歷史。

但自從1972年德國人把口徑做到100米以後，射電望遠鏡的口徑便停滯不前，這也表明，在材料的製作工藝沒有得到跳躍式發展前，很難突破百米口徑。

難道百米口徑是個極限嗎？我們真的無法突破這個極限嗎？1962年，美國的大耳朵望遠鏡進行了嘗試，但並未成功。

怎麼才能建造更大的射電望遠鏡

在機緣巧合下，科學家發現了建設500米口徑球面射電望遠鏡（以下簡稱爲FAST）的理論基礎：拋物面與球面的機緣巧合。拋物面的結構特性能把平行光匯聚到一個點上，所以傳統的射電望遠鏡都做成拋物面，那麼球面和拋物面大概有多大的區別呢？之前人們並沒有思考過這個問題，上個世紀90年代，中國的科學家就計算了下，一個300米的拋面，只要選擇合適的焦比，它的球面和拋物面的偏離距離只有0.47米，這0.47米就是FAST的基石，如果這個距離是4.7米或47米，就不會有FAST了。

有了這個發現之後，一個概念就應運而生：我們先建一個基準球面，半徑是300米，口徑是500米，然後在表面放上微小的驅動裝置，只需要微微的改變反射面的形狀（0.47米），就可以形成一個拋面，就可以把平行光匯聚到一個點上了。

然後將接收機以正確的姿態放到焦點的位置上來接收信號就可以了，這就是FAST的基本原理，並沒有想象中的複雜，但要想把這個望遠鏡成爲現實的話，至少有三件事情要做。

建設FAST，需要做好三件事

第一：要找個合適的“眼窩”：臺址。如果是平地挖出這麼大個坑的話，可能就需要幾十億人民幣，遠比建一臺望遠鏡花費十幾億人民幣還要多，所以一個天然的窪地是必不可少的；

要有一個優良的電磁波環境，人要非常少，人並非是干擾源，但是人們日常生活所用的電器手機等，是電磁波干擾的主要來源；另外，排水要好，不能有積水，一旦積水的話，望遠鏡的電子設備使用壽命會受到影響；最後，基礎要足夠穩，不能有沉降，這是建設大型精密設備非常必要的條件。

第二：主動反射面方案的取捨。經過反覆研究，大家建議能不能採用柔性索網的方法來進行建設，這樣通過改變形狀就能完成球面與拋物面的轉換。但是索網是掛在周圍的山體上，還是單獨建一個環梁結構？是採用三角形劃分網格還是採用四邊形來劃分？控制鎖是採用一根還是三根？這些都是我們需要思考的問題。

現在大家去看FAST，可能會覺得FAST就應該這麼建設，但是在建設之初，這裏面經過很多很多的變化，都是經過大量設計、演算才得出來的，有很多的奇思妙想不爲人知。

第三：如何實現饋源的高精度定位。如何對接收機進行高精度的定位，這是建設初期必須要解決的問題。科學家用6根鋼索連接着饋源艙，通過鋼索來控制饋源艙的位置，要實現什麼樣的精度呢？一個30噸的饋源艙，通過6根鋼索，在140米的高空，在206米的尺度範圍內，控制在10毫米以內。

我是做工程出身的，一開始我認爲這根本不可能實現，但科學家太聰明瞭，通過在艙內加入一個AB轉檯，Stewart 平臺就非常巧妙地實現了饋源艙的精準控制。

到這時，FAST望遠鏡的原理模型已漸漸清晰了，同時爲了驗證方案的可行性，我們做了大量的實驗。

困難重重的建設階段

在500米的跨度上，很多平時注意不到的問題都會變成大問題。比如，溫度變化1度，就會帶來6毫米的變形，如果建設時把圈樑和柱子設計成一體的話，溫度變化時，就會帶來很大的變形。

因此要設置一個自適應機構，來解決熱脹冷縮帶來的問題。經過一年多的實驗驗證，我們設計了滑移支座方案，解決了這個問題。

在解決所有問題後，2011年3月份，FAST開工建設了。

雖然臺址並不算大，但也涉及到方方面面的工程，如道路工程、隧道工程等。

索疲勞問題：差點讓FAST毀於一旦

這麼大的工程，肯定有我們一開始沒有想到的問題，其中的一個比較致命的就是索疲勞的問題。索疲勞的問題是什麼呢？在結構裏，索網結構是一個變形的載體，它需要在球面和拋面面間進行變形，它對疲勞的性能要求很高。

當時我們進行了疲勞評估，預測未來30年FAST的觀測軌跡，可以得到每一根索在未來30年的疲勞次數，進而通過各種算法，得到的評估結果爲：500MPa應力幅、200萬次循環加載。

這是從未實現過的疲勞性能！

一開始我們也不知道這樣的評估條件是什麼樣的標準，我們從市面上知名廠家買來十根鋼索，一進行疲勞實驗卻傻眼了，均失敗了。

這件事也很快地在天文圈傳開了，很多人都說FAST要完了，因爲這是材料工藝出了問題，並不是設計出了問題。如果設計有問題，我們可以重新設計，但材料工藝出問題卻很難解決。

爲了解決這個問題，我們進行了最大規模的疲勞實驗：超高疲勞性能鋼索的研製，經過兩年艱苦的研發工作，最終攻克了FAST的核心技術，我們全方位地改變了鋼索的製造工藝，包括扭制工藝、塗層工藝等，最終研製出適合FAST的鋼索，這是FAST能往下繼續推進的一個非常重要的關鍵點，如果這個問題沒有解決，大家也就不會看到今天的FAST。

超高精度的製造要求

FAST的每根鋼索製造要求誤差在1毫米，近萬根鋼索編織的索網，如果每根誤差幾毫米的話，所有的誤差加起來就會很大。

如何能做到這樣的精度控制呢？這也是我一直思考的問題，傳統的鋼索誤差爲15毫米左右，而FAST要求在1毫米，爲了達到這個精度，很多問題都需要我們考慮。

比如說溫度的影響，我們在車間裏建一個恆溫室，材料都要提前24小時運進恆溫室，所有的鋼索都在恆溫室進行加工；所有的配合都採用無間隙的過盈配合，什麼叫過盈配合？就是軸比孔還要大一些，採用液壓千斤頂擠進去，來消除間隙；所有的加工都採用帶載調節，比如說鋼索在受力100噸時爲11米，那麼我們在加工的時候就要受力100噸，把長度控制在11米，同時誤差不超1毫米。

FAST究竟有多大？