式现代化之路 “地球巨眼”迎来建设阶段首颗“中国之眸” 2023-09-21 09:09 来源：中国青年报 “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 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。 中青报·中青网记者 邱晨辉 见习记者 李瑞璇 来源：中国青年报 【责任编辑：韩雅洁】