fast:500米口徑球面射電望遠鏡-中文百科頻道

簡介

FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）500米口徑球面射電望遠鏡位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩凼的喀斯特窪坑中。500米口徑球面射電望遠鏡被譽為“中國天眼”，由我國天文學家于1994年提出構想，從預研到建成曆時22年，于2016年9月25日落成，開始接收來自宇宙深處的電磁波。由中國科學院國家天文台主導建設，是具有我國自主知識産權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。

500米口徑球面射電望遠鏡作為國家重大科技基礎設施，“天眼”工程由主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構成。主動反射面是由上萬根鋼索和4450個反射單元組成的球冠型索膜結構，其外形像一口巨大的鍋，接收面積相當于30個标準足球場。利用天然的喀斯特窪坑作為台址，窪坑内鋪設數千塊單元組成冠狀主動反射面，采用輕型索拖動機構和并聯機器人實現接收機高精度定位，這是“中國天眼”的三大自主創新。

借助這隻巨大的“天眼”，科研人員可以窺探星際之間互動的信息，觀測暗物質，測定黑洞質量，甚至搜尋可能存在的星外文明。與德國波恩100米望遠鏡相比，“天眼”的靈敏度提高了約10倍；與美國阿雷西博350米望遠鏡相比，“天眼”的綜合性能也提高了約10倍。“天眼”能夠接收到137億光年以外的電磁信号，觀測範圍可達宇宙邊緣。

從2016年9月25日起，“天眼”方圓5公裡将成為“靜默區”。這個龐然大物開始睜開“慧眼”，專注地捕捉來自宇宙深空的信号。

曆史沿革

1993年國際無線電聯大會上，包括中國在内的10國天文學家提出建造巨型望遠鏡的計劃，渴望在電波環境徹底毀壞前，回溯原初宇宙，解答天文學中的衆多難題。在這一科學源動力驅使下，通過不斷探索，中國天文學家提出了在貴州喀斯特窪地中建造500米口徑球面射電天文望遠鏡的建議和工程方案。

1994年7月，FAST工程概念提出。

2001年，FAST預研究作為中科院首批“創新工程重大項目”立項，并得到中科院及科技部的支持。

2001年10月，知識創新工程首批重大項目“FAST預研究”總體驗收。

2007年7月，國家發展和改革委員會批複500米口徑球面射電望遠鏡國家重大科技基礎設施立項建議書，原則同意将FAST項目列入國家高技術産業發展項目計劃，FAST工程進入可行性研究階段。

2008年10月，國家發改委批複500米口徑球面射電望遠鏡國家重大科技基礎設施項目可行性研究報告，FAST工程進入初步設計階段。

2009年2月，500米口徑球面射電望遠鏡國家重大科技基礎設施初步概算獲得貴州省發改委批複。

2011年3月，FAST工程開工報告獲得批複，工程開工項目初步設計和概算獲得中國科學院和貴州省人民政府的批複。

工程于2011年3月正式開工建設，預計2016年9月竣工，工期5.5年。望遠鏡台址挖掘完工，基地、主動反射面的建造均于2013年内動工。

2015年2月4日上午，位于貴州平塘的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）安裝了最後一根鋼索，索網制造和安裝工程結束。這意味着FAST的支撐框架建設完成，進入了反射面面闆拼裝階段。

2015年國慶前夕，随着長度3.5千米的10千伏高壓線纜通過耐壓測試、變電站設備調試完成，中科院國家天文台500米口徑球面射電望遠鏡（簡稱FAST）項目綜合布線工程完成，具備供電條件，這标志着“天眼”的神經系統已經成型，FAST工程進入最後的沖刺階段。

2015年11月21日，在貴州黔南安裝建設的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）饋源支撐系統進行首次升艙試驗，6根鋼索拖動饋源艙提升108米，并進行相應的功能性測試。

2016年3月8日，在貴州省平塘縣建設的世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），已完成3492塊反射面面闆安裝，完成比例達78.47%。

截至2016年4月10日，500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），已完成4185塊反射面面闆安裝，完成比例達94.04%，工程進入收尾階段。反射面安裝工程預計将于2016年5月中旬完成。

貴州省平塘縣的500米口徑球面射電望遠鏡（英文簡稱FAST）是目前世界上規模最大的射電望遠鏡。FAST的反射面總面積約25萬平方米，用于彙聚無線電波供饋源接收機接收，反射面安裝工程預計将于2016年7月3日完成。2016年7月3日，500米口徑球面射電望遠鏡的最後一塊反射面單元成功吊裝，這标志着FAST主體工程順利完工。

索網結構

索網結構是FAST主動反射面的主要支撐結構，是反射面主動變位工作的關鍵點。索網制造與安裝工程也是500米口徑球面射電望遠鏡工程的主要技術難點之一，其關鍵技術問題主要包括：超大跨度索網安裝方案設計、超高疲勞性能鋼索結構研制、超高精度索結構制造工藝等。而索網工程的順利完成，意味着FAST工程已經在上述關鍵技術難點方面實現實質性突破。

FAST索網結構直徑500米，采用短程線網格劃分，并采用間斷設計方式，即主索之間通過節點斷開。索網結構的一些關鍵指标遠高于國内外相關領域的規範要求：例如，主索索段控制精度須達到1毫米以内，主索節點的位置精度須達到5毫米，索構件疲勞強度不得低于500MPa。整個索網共6670根主索、2225個主索節點及相同數量的下拉索。索網總重量約為1300餘噸，主索截面一共有16種規格，截面積介于280-1319平方毫米之間。由于場地條件限制，全部索結構須在高空中進行拼裝。

索網采取主動變位的獨特工作方式，即根據觀測天體的方位，利用促動器控制下拉索，在500米口徑反射面的不同區域形成直徑為300米的抛物面，以實現天體觀測。

項目介紹

在2013年，一座口徑達500米的球面射電望遠鏡FAST，将在貴州喀斯特窪地建成。該項目首席科學家、中科院國家天文台南仁東研究員在上海召開的“中國天文學會2006年學術年會”上表示，與世界現有最大口徑100米望遠鏡相比，其觀測能力提高了10倍，并且将在未來20~30年保持世界領先地位。

12月21日，中航工業貴州雲馬飛機制造廠運用航空制造技術，成功完成了FAST項目12米相似三角形的鋁合金面闆驗證模型制造。該模型由100個1.2米等邊三角形構成，每個等邊三角形三個交點孔位置精度保持在0.1-0.15mm。該模型的成功制造，标志着雲馬廠在走向參與規劃建設目前世界上最大的、具有500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）的工作中邁出了重要一步。

FAST的設計技術方案除了在觀測中性氫線及其他厘米波段譜線，開展從宇宙起源到星際物質結構的探讨、對暗弱脈沖星及其他暗弱射電源的搜索、高效率開展對地外理性生命的搜索等6個方面實現科學和技術的重大突破外，還将作為一個多學科基礎研究平台，有能力将中性氫觀測延伸至宇宙邊緣，觀測暗物質和暗能量，尋找第一代天體。

工程概況

創新

1、利用獨一無二的貴州天然喀斯特窪地台址；

2、應用主動反射面技術在地面改正球差；

3、輕型索拖動饋源支撐将萬噸平台降至幾十噸。

科學目标

1、FAST有能力将中性氫觀測延伸至宇宙邊緣，重現宇宙早期圖像。

2、能用一年時間發現數千顆脈沖星，建立脈沖星計時陣，參與未來脈沖星自主導航和引力波探測。

3、主導國際甚長基線幹涉測量網，獲得天體超精細結構。

4、進行高分辨率微波巡視，檢測微弱空間信号。

5、參與地外文明搜尋。

6、參與子午鍊工程，提高非相幹散射雷達雙機系統性能。

7、将深空通訊能力延伸至太陽系外緣行星，将衛星數據接收能力提高100倍。

應用目标

1、空間飛行器的測控與通訊；

2、脈沖星計時陣和自主導航；

3、非相幹散射雷達接收系統；

4、高分辨率微波巡視。

技術指标

1、球反射面：半徑-300m，口徑-500m；

2、有效照明口徑：300m；

3、焦比：0.467；

4、天空覆蓋：天頂角40°；

5、工作頻率：70MHz-3GHz；

6、靈敏度（L波段）：2000。

系統構成

1、台址勘察與開挖系統：拟對選定區域的地形、工程地質和水文地質環境等進行工程詳細勘察、對FAST望遠鏡主動反射面整體工程區域土石方進行開挖、以及對窪地排水通道進行設計等。

2、主動反射面系統：包括一個口徑500米由近萬根鋼索組成的反射面索網主體、反射面單元、促動器裝置、地錨、圈梁等。反射面索網安裝在格構式環形圈梁上，它有2400個連接節點，在索網上安裝4600個反射面單元，2400個節點下方連接下拉索和促動器裝置，促動器再與地錨連接，形成了完整的主動反射面系統，能夠實現實時控制下形成瞬時300米口徑抛物面的功能。

3、饋源支撐系統：在窪地周邊山峰上建造6個百餘米的支撐塔，安裝公裡尺度的鋼索柔性支撐體系及其導索、卷索機構，以實現饋源艙的一級空間位置調整；制造直徑10米左右的饋源艙，在饋源艙内安裝Stewart平台（精調并聯機器人）用于二級調整；制造兩級調整機構之間的轉向機構，輔助調整饋源艙的姿态角。

4、測量與控制系統：建設10餘個毫米級精度基準站組成的測量基準網。通過9個近景測量基站，對反射面位形實時掃描；利用激光跟蹤儀及激光跟蹤系統實現對饋源艙實時反饋的控制；建設現場總線系統，實現反射面的主動變形；建設實時檢測和健康監測系統。

5、饋源與接收機系統：研制高性能的多波束饋源接收機，頻率覆70MHz-3GHz。研制饋源、低噪聲制冷放大器、寬頻帶數字中頻傳輸設備、高穩定度的時鐘和高精度的頻率标準設備等。配置多用途數字天文終端設備。

6、觀測基地建設：主要負責觀測基地及輔助設施的建設（包括道路施工等），以确保高質量的支持望遠鏡的運行、觀測和維護，并滿足FAST工作人員的工作與生活需要。根據功能需要，觀測基地的建築計劃包括綜合樓、維修廠房和分散在基地及反射面周圍的零星建築等。

台址

FAST台址選定在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮金科村的大窩凼窪地，此窪地位于北緯25.647222度，東經106.85583度，直徑大約800米，東北距平塘縣城約85km，西南距羅甸縣城約45km。總體位于貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶，地勢總體上北高南低，區域内碳酸鹽岩廣泛分布，岩溶峰丘、窪地、落水洞極為發育，地形起伏不平，低山地形。大窩凼窪地的山梁最高為東南側山頭，标高1201m，窪地的最低點标高841m，最大相對高差達360m。窪地地表岩溶窪地發育，地形起伏大，坡度較陡，地貌類型簡單，局部山體陡峭，形成陡崖和懸壁。

之所以選址“大窩凼”有三方面原因，一是地貌最接近FAST的造型，工程開挖量最小；二是這裡的喀斯特地質可以保障雨水向地下滲透，不會在表面淤積而損壞和腐蝕望遠鏡；三是射電望遠鏡需要一處“靜土”，“大窩凼”附近5千米半徑之内沒有一個鄉鎮，無線電環境理想。

意義價值

具有中國獨立自主知識産權的FAST，是世界上正在建造及計劃中的口徑最大、最具威力的單天線射電望遠鏡，其設計綜合體現了我國高技術創新能力。它将在基礎研究衆多領域，例如宇宙大尺度物理學、物質深層次結構和規律等方向提供發現和突破的機遇，也将在日地環境研究、國防建設和國家安全等方面發揮不可替代的作用。其建設将推動衆多高科技領域的發展，提高原始創新能力、集成創新能力和引進消化吸收再創新能力。它的建設與運行将促進西部經濟的繁榮和社會進步，符合國家區域發展總體戰略。

FAST的天線口徑為500米，将是國際上最大的單口徑望遠鏡，可以預測FAST将在未來20－30年保持世界一流設備的地位，并将吸引國内外一流人才和前沿科研課題，成為國際天文學術交流中心。