FAST望远镜 (中国研制和建设的单口径望远镜)

由中国研制和建设的世界最大单口径望远镜——500米口径球面射电望远镜(Five hundred meters Aperture Spherical Telescope,简称FAST)于2016年9月投入使用。该望远镜将被用于探索太空,可追寻地外生命。

中文名
500米口径球面射电望远镜
外文名
FAST(Five hundred meters Aperture Spherical Radio Telescope)
接收面积
25万平方米(相当于30个足球场)
边    框
1.5千米
地    址
贵州省平塘县克度镇金科村大窝凼
口    径
500m
建    成
2016年9月21日
工程投资
约6.67亿人民币
反射面总面积
约25万平方米
设施级别
国家重大科技基础设施

1简介

编辑本段 回目录

500米口径球面射电望远镜作为国家重大科技基础设施,“天眼”工程由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成。主动反射面是由上万根钢索和4450个反射单元组成的球冠型索膜结构,其外形像一口巨大的锅,接收面积相当于30个标准足球场。利用天然的喀斯特洼坑作为台址,洼坑内铺设数千块单元组成冠状主动反射面,采用轻型索拖动机构和并联机器人实现接收机高精度定位,这是中国‘天眼’的三大自主创新。”

借助这只巨大的“天眼”,科研人员可以窥探星际之间互动的信息,观测暗物质,测定黑洞质量,甚至搜寻可能存在的星外文明。众多独门绝技让其成为世界射电望远镜中的佼佼者,这也将为世界天文学的新发现提供重要机遇。与德国波恩100米望远镜相比,“天眼”的灵敏度提高了约10倍;与美国阿雷西博350米望远镜相比,“天眼”的综合性能也提高了约10倍。“天眼”能够接收到137亿光年以外的电磁信号。 从2016年9月25日起,“天眼”方圆5公里将成为“静默区”。这个庞然大物开始睁开“慧眼”,专注地捕捉来自宇宙深空的信号。

2历史沿革

编辑本段 回目录

1993年东京召开的国际无线电科学联盟大会上,包括中国在内的10国天文学家提出建造新一代射电“大望远镜”。他们期望,在全球电信号环境恶化到不可收拾之前,能多收获一些射电信号。建造FAST的动机肇始于此。

1994年7月, FAST工程概念提出。

2001年, FAST预研究作为中科院首批“创新工程重大项目”立项,并得到中国科学院及科技部的支持。

2001年10月, 知识创新工程首批重大项目“FAST预研究”总体验收。

2007年7月, 国家发展和改革委员会批复500米口径球面射电望远镜国家重大科技基础设施立项建议书,原则同意将FAST项目列入国家高技术产业发展项目计划,FAST工程进入可行性研究阶段。

2008年10月, 国家发改委批复500米口径球面射电望远镜国家重大科技基础设施项目可行性研究报告,FAST工程进入初步设计阶段。

2009年2月, 500米口径球面射电望远镜国家重大科技基础设施初步概算获得贵州省发改委批复。

2011年3月,FAST工程开工报告获得批复,工程开工项目初步设计和概算获得中国科学院和贵州省人民政府的批复。

工程于2011年3月正式开工建设,预计2016年9月竣工,工期5.5年。望远镜台址挖掘完工,基地、主动反射面的建造均于2013年内动工。目前总投资概算为6.67亿元。

2015年2月4日上午,位于贵州平塘的500米口径球面射电望远镜(FAST)安装了最后一根钢索,索网制造和安装工程结束。这意味着FAST的支撑框架建设完成,进入了反射面面板拼装阶段。

2015年国庆前夕,随着长度3.5千米的10千伏高压线缆通过耐压测试、变电站设备调试完成,中科院国家天文台500米口径球面射电望远镜(简称FAST)项目综合布线工程完成,具备供电条件,这标志着“天眼”的神经系统已经成型,FAST工程进入最后的冲刺阶段。

2015年11月21日,在贵州黔南安装建设的500米口径球面射电望远镜(FAST)馈源支撑系统进行首次升舱试验,6根钢索拖动馈源舱提升108米,并进行相应的功能性测试。

2016年3月8日,在贵州省平塘县建设的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST),已完成3492块反射面面板安装,完成比例达78.47%。

2016年4月10日,500米口径球面射电望远镜(FAST),已完成4185块反射面面板安装,完成比例达94.04%。

2016年6月29日,FAST已完成4443块反射面面板安装,完成比例达99.8%。

2016年7月3日,500米口径球面射电望远镜(FAST)的最后一块反射面单元成功吊装,这标志着FAST主体工程顺利完工。

2016年9月25日,9月25日在贵州省平塘县的喀斯特洼坑中落成启用,开始接收来自宇宙深处的电磁波。

3工程概况

编辑本段 回目录

500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)利用贵州喀斯特地区的洼坑作为望远镜台址,建造世界第一大单口径射电望远镜,其拥有30个标准足球场大的接收面积。FAST作为世界最大的单口径望远镜,将在未来20至30年保持世界一流地位。全新的设计思路,加之得天独厚的台址优势,使其突破了望远镜的百米工程极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。

创新

1、利用独一无二的贵州天然喀斯特洼地台址

2、应用主动反射面技术在地面改正球差

3、轻型索拖动馈源支撑将万吨平台降至几十吨

科学目标

1、FAST有能力将中性氢观测延伸至宇宙边缘,重现宇宙早期图像。

2、能用一年时间发现数千颗脉冲星,建立 脉冲星计时阵,参与未来脉冲星自主导航和引力波探测。

3、主导国际甚长基线干涉测量网,获得天体 超精细结构。

4、进行高分辨率微波巡视,检测微弱空间信号。

5、参与地外文明搜寻。

6、参与子午链工程,提高非相干散射雷达双机系统性能。

7、将深空通讯能力延伸至太阳系外缘行星,将卫星数据接收能力提高100倍。

应用目标

1、空间飞行器的测控与通讯

2、脉冲星计时阵和自主导航

3、非相干散射雷达接收系统

4、高分辨率微波巡视

技术指标

1、球反射面:半径-300m,口径-500m

2、有效照明口径:300m

3、焦比:0.467

4、天空覆盖:天顶角 40°

5、工作频率:70MHz-3GHz

6、灵敏度(L波段):2000

系统构成

台址勘察与开挖系统:拟对选定区域的地形、工程地质和水文地质环境等进行工程详细勘察、对FAST望远镜主动反射面整体工程区域土石方进行开挖、以及对洼地排水通道进行设计等。

主动反射面系统:包括一个口径500米由近万根钢索组成的反射面索网主体、反射面单元、促动器装置、地锚、圈梁等。反射面索网安装在格构式环形圈梁上,它有2400个连接节点,在索网上安装4600个反射面单元,2400个节点下方连接下拉索和促动器装置,促动器再与地锚连接,形成了完整的主动反射面系统,能够实现实时控制下形成瞬时300米口径抛物面的功能。

馈源支撑系统:在洼地周边山峰上建造6个百余米的支撑塔,安装公里尺度的钢索柔性支撑体系及其导索、卷索机构,以实现馈源舱的一级空间位置调整;制造直径10米左右的馈源舱,在馈源舱内安装Stewart平台(精调并联机器人)用于二级调整;制造两级调整机构之间的转向机构,辅助调整馈源舱的姿态角。

测量与控制系统:建设10余个毫米级精度基准站组成的测量基准网。通过9个近景测量基站,对反射面位形实时扫描;利用激光跟踪仪及激光跟踪系统实现对馈源舱实时反馈的控制;建设现场总线系统,实现反射面的主动变形;建设实时检测和健康监测系统。

馈源与接收机系统:研制高性能的多波束馈源接收机,频率覆70MHz-3GHz。研制馈源、低噪声制冷放大器、宽频带数字中频传输设备、高稳定度的时钟和高精度的频率标准设备等。配置多用途数字天文终端设备。

观测基地建设:主要负责观测基地及辅助设施的建设(包括道路施工等),以确保高质量的支持望远镜的运行、观测和维护,并满足 FAST工作人员的工作与生活需要。根据功能需要,观测基地的建筑计划包括综合楼、维修厂房和分散在基地及反射面周围的零星建筑等。

相关单位

项目主管部门:中国科学院

项目共建部门:贵州省人民政府

项目建设单位:中国科学院国家天文台

项目参与单位:清华大学、西安电子科技大学

台址

FAST台址选定在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地,此洼地位于北纬25.647222度,东经106.85583度,直径大约800米,东北距平塘县城约85km,西南距罗甸县城约45km。总体位于贵州高原向广西丘陵过渡的斜坡地带,地势总体上北高南低,区域内碳酸盐岩广泛分布,岩溶峰丘、洼地、落水洞极为发育,地形起伏不平,低山地形。大窝凼洼地的山梁最高为东南侧山头,标高1201m,洼地的最低点标高841m,最大相对高差达360m。洼地地表岩溶洼地发育,地形起伏大,坡度较陡,地貌类型简单,局部山体陡峭,形成陡崖和悬壁。中科院已在贵州省贵阳市注册成立贵州射电天文台管理该项目。

之所以选址“大窝凼”有三方面原因,一是地貌最接近FAST的造型,工程开挖量最小;二是这里的喀斯特地质可以保障雨水向地下渗透,不会在表面淤积而损坏和腐蚀望远镜;三是射电望远镜需要一处“静土”,“大窝凼”附近5千米半径之内没有一个乡镇,无线电环境理想。

4索网结构

编辑本段 回目录

索网结构是FAST主动反射面的主要支撑结构,是反射面主动变位工作的关键点。索网制造与安装工程也是500米口径球面射电望远镜工程的主要技术难点之一,其关键技术问题主要包括:超大跨度索网安装方案设计、超高疲劳性能钢索结构研制、超高精度索结构制造工艺等。而索网工程的顺利完成,意味着FAST工程已经在上述关键技术难点方面实现实质性突破。

FAST索网结构直径500米,采用短程线网格划分,并采用间断设计方式,即主索之间通过节点断开。索网结构的一些关键指标远高于国内外相关领域的规范要求:例如,主索索段控制精度须达到1毫米以内,主索节点的位置精度须达到5毫米,索构件疲劳强度不得低于500MPa。整个索网共6670根主索、2225个主索节点及相同数量的下拉索。索网总重量约为1300余吨,主索截面一共有16种规格,截面积介于280—1319平方毫米之间。由于场地条件限制,全部索结构须在高空中进行拼装。

索网采取主动变位的独特工作方式, 即根据观测天体的方位,利用促动器控制下拉索,在500米口径反射面的不同区域形成直径为300米的抛物面,以实现天体观测。

FAST索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系。其技术难度不言而喻,需要攻克的技术难题贯穿索网的设计、制造及安装全过程。仅以高应力幅钢索研制为例,FAST工程对拉索疲劳性能的要求相当于规范规定值的2倍,国内外均没有可借鉴的经验或资料作为参考。其研制工作经历了反复的“失败—认识—修改—完善”过程,最终历时一年半时间才完成技术攻关。所取得的成果已经在国际专家评审会上得到国外专家组的认可,成功在FAST工程上得到应用。随着索网诸多技术难题的不断攻克,形成了12项自主创新性的专利成果,其中发明专利7项,这些成果对我国索结构工程水平起到了巨大的提升作用。

5“天眼”能力  

编辑本段 回目录

国家天文台FAST工程技术人员介绍说,探听地球之外的音讯,“天眼”的能力和其大小息息相关。简单来说,眼睛越大,看得越远。尤其特殊的是,这只“天眼”并非“死眼”, FAST的索网结构可以随着天体的移动自动变化,带动索网上活动的4450个反射面板产生变化,足以观测到更大天区的天体,同时,馈源舱也随索网一同运动,采集天体发射的无线电波。如同人类转动自己的眼珠,调整视线的指向,遥远的太空对它来说将不存在方向上的死角。

国家天文台副台长、FAST工程常务副总指挥郑晓年强调,“天眼”建成后,将有能力巡视宇宙中的中性氢、探测星际分子、观测脉冲星、搜寻星际通讯信号。FAST作为一个多学科基础研究平台,能用一年时间发现约7000颗脉冲星,研究极端状态下的物质结构与物理规律;有希望发现奇异星和夸克星物质;发现中子星——黑洞双星,无需依赖模型精确测定黑洞质量;通过精确测定脉冲星到达时间来检测引力波;作为最大的台站加入国际甚长基线网,为天体超精细结构成像。

6意义

编辑本段 回目录

具有中国独立自主知识产权的FAST,是世界上正在建造及计划中的口径最大、最具威力的单天线射电望远镜,其设计综合体现了我国高技术创新能力。它将在基础研究众多领域,例如宇宙大尺度物理学、物质深层次结构和规律等方向提供发现和突破的机遇,也将在日地环境研究、国防建设和国家安全等方面发挥不可替代的作用。其建设将推动众多高科技领域的发展,提高原始创新能力、集成创新能力和引进消化吸收再创新能力。它的建设与运行将促进西部经济的繁荣和社会进步,符合国家区域发展总体战略。

FAST的天线口径为500米,将是国际上最大的单口径望远镜,与号称“地面最大的机器”德国波恩100米望远镜相比,其灵敏度提高约10倍。如果天体在宇宙空间均匀分布,FAST可观测目标的数目将增加约30倍。与美国Arecibo 300米望远镜相比,FAST灵敏度高2.25倍,而且Arecibo 20°天顶角的工作极限,限制了观测天区,特别是限制联网观测能力。可以预测FAST将在未来20-30年保持世界一流设备的地位,并将吸引国内外一流人才和前沿科研课题,成为国际天文学术交流中心。

7应用价值

编辑本段 回目录

能把中国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘,将深空通讯数据下行速率提高100倍。

脉冲星到达时间测量精度由120纳秒提高至30纳秒,成为国际上最精确的脉冲星计时阵,为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟。

进行高分辨率微波巡视,以1HZ的分辩率诊断识别微弱的空间讯号,作为被动战略雷达为国家安全服务。

基于FAST的强大功能,如果银河系(直径约为15万光年)内存在外星人,他们的信息就很可能被发现。国际科研项目“搜寻外星人计划”(SETI)的首席科学家丹·沃西默最近向中方提出,希望在FAST加装设备,可合作搜索外星人信号。

8首要目标

编辑本段 回目录

FAST总工艺师王启明表示,在FAST的科学目标中,确实“包括寻找地外文明”,“但是这并不是我们排在最前列的目标”。“排在我们最前列的目标是寻找脉冲星。”他说。

记者注意到,平塘国际天文体验馆对脉冲星进行了介绍。馆内资料显示,脉冲星是快速自转的中子星,它能够发射严格周期性脉冲信号。脉冲星的观测研究不仅具有重要的物理意义,而且具有重要应用价值,在时间尺度、深空自主导航等方面具有重要的应用前景。

为什么要找脉冲星?王启明说,脉冲星会不断地发出脉冲信号,而这种信号非常稳定。“找到以后就可以应用于深空探测、星际旅行,可以起到导航作用。”

他举例称,“如果你要走到火星,或者走出太阳系,甚至走出银河系,根本无法用地球上的GPS去导航,但如果能知道宇宙中很多脉冲星的位置,就可以通过它来定位、导航。”

他还指出,航天航空的精确定位也离不开射电望远镜。“如果我们发射飞船去火星,飞船在走的过程中隔一段时间就发一个脉冲信号回来,我们的中国‘天眼’就可以接收到这个信号,判断它的位置,是否在正确轨道上。”

此外,贵州大学物理学院教授、中科院国家天文台-贵州大学天文联合研究中心常务副主任张志彬也告诉记者,人类在地面建实验室,高温高压强磁场都是很难实现的,而脉冲星的实验条件非常极端,它“对人类认识极端条件下的一些物理现象也有非常重大的意义”。

国家天文台副台长、FAST工程常务副经理郑晓年曾在接受媒体采访时指出,除了观测脉冲星,中国“天眼”的另一大科学目标是“巡视宇宙中的中性氢”。他指出,这可以“研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化”。

9登上邮票

编辑本段 回目录

邮票邮票

2017年9月17日,“科技兴则民族兴,科技强则国家强。”包括500米口径球面射电望远镜(FAST)、“墨子号”量子科学实验卫星等在内的中国重大科技成果登上邮票。

《科技创新》纪念邮票首发式当日在中国科学院文献情报中心举办。本套《科技创新》纪念邮票一套5枚,展示了近年来中国以创新驱动发展为主,多个科学领域的探索与成就。

10中国创造

编辑本段 回目录

被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜,是具有我国自主知识产权、最灵敏的射电望远镜。它的落成启用,对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。

上世纪90年代,科学家们期望,在电波环境彻底被破坏之前,真正看一眼初始的宇宙,弄清宇宙结构的形成演化,推动相关科学研究的突破,只有大射电望远镜才能帮助人类实现这一梦想。

在这一背景下,中国天文学家1994年提出利用贵州的喀斯特洼地建造大射电望远镜,形成了中国“天眼”的最初设想。

从预研究到建成历时22年,我国老中青三代科技工作者克服了关键技术无先例可循、关键材料急需攻关、核心技术遭遇封锁等困难,在射电望远镜口径、灵敏度、分辨率、巡星速度等关键指标上全面超越国际先进水平。

“20多年前的国家实力和工业技术很难支撑这么大的望远镜项目。今天我们不仅做到世界第一大口径,独创主动反射面技术,还推动了天线制造、微波电子、并联机器人、大跨度结构等相关技术的发展。”从预研究就开始参与这一工程的500米口径球面射电望远镜工程副经理彭勃说。

2010年8月,在“天眼”工程开工前夕,团队接到哈尔滨工业大学传来消息,前期做的所有索网实验全都失败了。“国内顶级的应用于斜拉桥上的钢索,标准强度是200兆帕、抗200万次弯曲,用在‘天眼’实验上都断了。”馈源支撑系统总工程师孙才红说,按设计要求,‘天眼’需要强度为500兆帕、抗200万次弯曲的钢索,这意味着把材料工艺提高到国标的2.5倍。

当时负责索网疲劳问题的是刚到天文台工作不久的博士生姜鹏,他立下“军令状”,经过一年半的艰苦技术攻关,完成了索网变位策略优化及疲劳性能评估工作,降低了索网的变位应力幅,与柳州欧维姆机械股份有限公司合作研制,最终生产出满足要求的钢索。

美国阿雷西博望远镜的馈源平台重达1000吨,几乎等于用固定轨道把平台架设在半空,这样的设计有利于馈源的定位,却缩小了观测角度。

国家天文台副台长郑晓年说,中国“天眼”采取了轻型索支撑馈源平台方案,把馈源舱减重到30吨,覆盖天顶角是美国望远镜的两倍,并通过并联机器人二级调整,最终在降低建造成本的同时,实现毫米级高精度定位。

但可变形的反射面和可牵引运动的馈源舱又带来新问题,“天眼”信号传输用的光缆要能在5年内抗6.6万次拉伸、信号衰减小于0.1dB,而国家标准仅为1000次、0.2dB,国外相关技术被封锁。

馈源支撑系统副总工程师潘高峰说,参与研制光缆的是烽火通信科技股份有限公司和北京邮电大学林中教授团队。当时烽火通信的生产线全部饱和,一条生产线每天产能40千米,每次为生产200米的试验光缆,来回调整配方工艺要耽误两天。光缆试验一次周期长达数月,林中教授不仅为设计提供大量技术研究,为确保试验周期不中断,除夕夜还坚持去实验室记录试验数据。

“经过多次试验,花费4年时间,最终用在‘天眼’上的动光缆可经受反复弯曲、卷绕和扭转等机械性能和恶劣自然环境考验,满足了设计需求,但项目预算的研制经费只有300万元。”500米口径球面射电望远镜工程总工艺师王启明说,还有很多参建企业和科研单位,都首先从社会责任出发支持大科学工程,把经济效益放在其次。

“天眼”工程是一套复杂的系统工程,除了反射面、馈源舱和接收机等核心系统,还包括庞杂的综合布线工程和数据处理系统。“高灵敏度”、“更多来自宇宙的讯息”也意味着海量数据存储和复杂的计算要求。

中国“天眼”作为射电天文学界的重要突破,其对数据存储与计算的需要同样也是“天文级”的。短期内“天眼”的计算性能需求至少需达到每秒200万亿次以上,存储容量需求达到10PB以上。而随着时间推移和科学任务的深入,其对计算性能和存储容量的需求将爆炸式增长。

由曙光公司打造的超算中心的接入,就像是给“天眼”连接上了计算“大脑”,将其探测到的未知信息处理成人类可解读的内容。

据曙光公司总裁历军透露,超算系统全部建成后,将以更高效能的数据存储、分发、计算和分析全力支撑“天眼”高灵敏度、高性能的天文观测。

中科院国家天文台台长严俊说,中国“天眼”的研制和建设,体现了我国自主创新能力,由最初不到5人的研究小组发展到上百人的团队,工程建设凝聚了国内100多家单位的力量,实现了我国大科学工程由跟踪模仿到集成创新的跨越,将为我国射电天文多个研究领域和自然科学相关领域提供重大发现的机会。

11首次发现脉冲星

编辑本段 回目录

2017年10月10日,中科院国家天文台宣布,“中国天眼”发现2颗新脉冲星,距离地球分别约4100光年和1.6万光年。这是我国射电望远镜首次发现脉冲星,距“天眼之父”南仁东病逝不到1个月。“中国天眼”有望开启中国射电天文学10年至20年“黄金期”。

12已具备系统发现脉冲星的能力

编辑本段 回目录

2017年10月24日,中国科学院国家天文台FAST(中国“天眼”)工程办公室主任张蜀新今天表示,自2016年9月25日FAST望远镜落成启用以来,经过一年多的调试,望远镜的多个系统已经调到了设计指标,灵敏度已经达到了世界一流。

他介绍,2017年8月开始,“天眼”试观测中陆续搜寻到了一批高质量的脉冲星候选体,其中6颗得到了观测认证。“最先发现的是两颗,就在我们准备发布的过程中又陆续发现了4颗。”他说,这标志着中国“天眼”已经有系统发现脉冲星的能力,未来有希望做出系统的脉冲星发现以及其他天文发现。

张蜀新还透露,FAST射电望远镜的反射面是一个500米口径的球冠面,面积相当于30多个足球场,用4000多块三角形反射面拼装起来。这口“大锅”背面,起到支撑作用的是一个柔性支撑网状结构。形象地说就是一个大“网兜”,用钢索结成一个网兜,反射面板装在三角形的网眼上。

张蜀新说,中国“天眼”的建成历经艰难,是以前不久去世的南仁东先生为代表的几代天文人的梦想。南仁东还有很多梦想,需要我们后一辈天文人去实现。

词条图片

参考资料

[添加]
[1].中国FAST即将睁天眼 不必担心"外星人威胁论"

本词条内容由国搜百科根据相关资料编纂,仅供参考。如有问题,可联系我们修订、完善或删除。也欢迎更多热爱知识共享、有志于词条编纂的专业人士参与国搜百科创建。联系电话:010-87869809 合作邮箱:baike@chinaso.com 交流QQ群:5332181520

FAST望远镜 图册

百科热点

党的十九大
  • 浏览次数: 2565 次
  • 更新时间:2017-10-25
  • 创建者:wangshujun
分享到:
百科 更多»