為“地球巨眼”裝上“中國之眸”
9月20日,中國電科牽頭研制的全球最大射電天文望遠(yuǎn)鏡陣列首臺(tái)中頻天線在位于河北石家莊的中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院正式吊裝。這是國際大科學(xué)工程平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目(以下簡稱“SKA”)進(jìn)入建設(shè)階段以來建成的首臺(tái)天線,標(biāo)志著中國在SKA核心設(shè)備研發(fā)中發(fā)揮了引領(lǐng)和主導(dǎo)作用。
“SKA將為人類認(rèn)識(shí)宇宙提供重要機(jī)遇,開啟人類探測宇宙的新紀(jì)元。”中國電科首席科學(xué)家鄭元鵬表示,SKA肩負(fù)著人類了解宇宙和生命奧秘的使命,將致力于揭示全球各國和人類共同關(guān)心的一些基本問題,如探測宇宙、星系的起源和演化,尋找更多的星系,探尋孕育生命的新?lián)u籃,搜索外星生命等。
“地球巨眼”洞悉宇宙奧秘
“SKA項(xiàng)目始于20世紀(jì)90年代初,是人類有史以來在建的最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡,也是多國合作、共同出資的國際大科學(xué)工程?!敝袊娍凭W(wǎng)絡(luò)通信研究院總監(jiān)馬英昌介紹,全球約20個(gè)國家上百所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的天文學(xué)家與工程師參與項(xiàng)目研發(fā),其組成陣列的射電望遠(yuǎn)鏡總接收面積達(dá)1平方公里,相當(dāng)于140個(gè)足球場的面積。
據(jù)了解,SKA在澳大利亞、南非等8國設(shè)有臺(tái)址,在約3000公里的廣袤荒野,將建設(shè)約3000面天線,組成1平方公里大的“地球巨眼”,靜伏于地球表面觀測宇宙深處最神秘的聲音。SKA天文臺(tái)宣傳外聯(lián)部主任威廉·加尼爾告訴記者,作為人類歷史上建造規(guī)模最大的射電望遠(yuǎn)鏡,SKA建成后將成為地球上最大的科學(xué)設(shè)施,比目前最大的射電望遠(yuǎn)鏡陣列靈敏度高50倍,巡天速度高10000倍。
“中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院作為SKA天線結(jié)構(gòu)工作包聯(lián)盟的牽頭單位,聯(lián)合來自南非、意大利等國的科研及工業(yè)機(jī)構(gòu),將共同完成SKA天線結(jié)構(gòu)工作包天線的建設(shè)任務(wù)。”馬英昌說。
“聽音辨位”匯聚創(chuàng)新結(jié)晶
對(duì)宇宙目標(biāo)“精準(zhǔn)畫像”,除了得天獨(dú)厚的站址條件外,還要準(zhǔn)確地“聽音辨位”——這就需要較高的靈敏度和指向精度,還得屏蔽電子設(shè)備的電磁輻射干擾,讓天線更加專注于宇宙目標(biāo)。
上述要求離不開集多種關(guān)鍵技術(shù)于一身的SKA中頻天線。
SKA中頻天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師杜彪介紹,SKA中頻天線對(duì)效率與波束變形、指向精度、電磁屏蔽與電磁兼容等核心關(guān)鍵指標(biāo)提出了極高要求,帶給設(shè)計(jì)與研發(fā)的挑戰(zhàn)前所未有。“為滿足高電磁兼容性和高指向精度的世界性技術(shù)難題,我們對(duì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)仿真、標(biāo)校、調(diào)試、測試方法和驗(yàn)證等一系列關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān),完成了高電磁兼容性伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工和集成工作?!?/p>
據(jù)悉,SKA中頻天線的伺服控制系統(tǒng)需要滿足高電磁屏蔽指標(biāo),才能實(shí)現(xiàn)高靈敏度觀測。同時(shí),采用全數(shù)字高精度伺服驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)及高精度座架和天線結(jié)構(gòu)的保型設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)千分之三度的高指向精度。當(dāng)接收到觀測指令時(shí),分布在上千公里范圍的幾千面天線將精確地同步對(duì)準(zhǔn)同一觀測目標(biāo),持續(xù)同步跟蹤觀測,實(shí)現(xiàn)最大的接收效率。
SKA中頻天線中心區(qū)域陣列建在南非卡魯?shù)貐^(qū),屬于干旱臺(tái)地高原,因此天線的運(yùn)輸、集中建設(shè)、運(yùn)行、后期維護(hù)等都成為技術(shù)人員需要重點(diǎn)考慮的問題?!搬槍?duì)批量化建設(shè)、沙漠環(huán)境安裝集成以及使用維護(hù)的特點(diǎn),為了便于運(yùn)輸與組裝,我們對(duì)天線反射體、座架、方位俯仰機(jī)構(gòu)和軸承進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì),各模塊部件像積木一樣易于拆裝。驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、減速機(jī)等結(jié)構(gòu)則被設(shè)計(jì)為現(xiàn)場可更換單元,無需返場維護(hù),便于設(shè)備維護(hù)?!盨KA中頻天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王大為說。
精益求精探尋技術(shù)極致
SKA中頻天線是一臺(tái)15米口徑的賦形雙偏置格里高利天線,天線反射體由主反射體、副反射體、換饋機(jī)構(gòu)和支臂構(gòu)成。“天線主反射體采用高精度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和三角形鋁合金面板材質(zhì),在實(shí)現(xiàn)高精度的同時(shí),也便于維護(hù)和快速安裝?!盨KA中頻天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目設(shè)計(jì)師楊晉蓉介紹,“我們的面板精度達(dá)到0.03~0.1毫米,面形精度優(yōu)于100微米,還不及兩根頭發(fā)絲的厚度,代表了國內(nèi)面板設(shè)計(jì)與制造的最高水平?!?/p>
高精度要求的背后,是每一個(gè)安裝環(huán)節(jié)的極致精密。
SKA中頻天線的背架是空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu),采用螺栓球與拉桿螺連的方式安裝。SKA中頻天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目工藝師王建永介紹,一面天線上有100余個(gè)螺栓球、300余根拉桿,100余個(gè)螺栓球上的螺孔數(shù)量不盡相同,最多可達(dá)12個(gè),而且每個(gè)螺栓球上的螺孔角度都是唯一的?!耙簿褪钦f,每個(gè)螺栓球在15米×18米×3米的網(wǎng)架中的位置是唯一的,每個(gè)螺孔裝哪根拉桿也是唯一的。”
如此精密的位置要求,哪怕有一粒小米大小的誤差,也會(huì)裝不上去。為快速、精確完成安裝與拆卸,工藝師們經(jīng)過幾十次試驗(yàn),構(gòu)建出4個(gè)計(jì)算模型,并反復(fù)研究裝配流程,歷經(jīng)2個(gè)多月才完全掌握最佳安裝方法?!澳嵌螘r(shí)間,腦子里全是螺栓球和拉桿,整天都在琢磨,連做夢都想著。”王建永說。
SKA天線底座的內(nèi)部有一個(gè)設(shè)備艙,用來安裝望遠(yuǎn)鏡所有電子設(shè)備。由于設(shè)備運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生電磁輻射,為降低輻射對(duì)天線的影響,設(shè)備艙需要較強(qiáng)的電磁屏蔽性能。
“考慮到天線是在沙漠環(huán)境中工作的,要留通風(fēng)孔用于散熱,還要留進(jìn)出電纜的通道、人維護(hù)的空間……別看空間不大,里面卻容納了非常多的設(shè)備。如何布置,如何實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽性能,絕對(duì)是個(gè)大挑戰(zhàn)!”電磁屏蔽艙研制技術(shù)負(fù)責(zé)人竇玉超感慨。
最終,團(tuán)隊(duì)經(jīng)過反復(fù)論證,結(jié)合每臺(tái)設(shè)備的功率、發(fā)熱量等進(jìn)行合理布局?!肮馐谴蟮姆桨刚{(diào)整就有四五次,微調(diào)更有幾十次,我們用了1年時(shí)間才找到最優(yōu)方案?!备]玉超說,找到技術(shù)最優(yōu)解,是團(tuán)隊(duì)始終的追求。
(光明日?qǐng)?bào)記者 崔興毅)
版權(quán)聲明:凡注明“來源:中國西藏網(wǎng)”或“中國西藏網(wǎng)文”的所有作品,版權(quán)歸高原(北京)文化傳播有限公司。任何媒體轉(zhuǎn)載、摘編、引用,須注明來源中國西藏網(wǎng)和署著作者名,否則將追究相關(guān)法律責(zé)任。
- 廈門大學(xué):為國家培養(yǎng)更多拔尖創(chuàng)新人才
- 專訪:相信阿中合作將不斷結(jié)出豐碩成果——訪阿拉伯議會(huì)議長歐舒米
- 共赴敦煌之約 共話文明互鑒
- “中國昆曲江蘇周”走進(jìn)法國巴黎
- 為設(shè)立工匠主題書房點(diǎn)贊
- 中國成都國際非物質(zhì)文化遺產(chǎn)節(jié)、中國吳橋國際雜技藝術(shù)節(jié)將辦
- 四代人“刻葫蘆” 85后要當(dāng)破局人
- 辦好中國農(nóng)民豐收節(jié) 推動(dòng)農(nóng)文旅深度融合
- 共建“一帶一路” 帶動(dòng)世界旅游業(yè)復(fù)蘇
- 經(jīng)合組織下調(diào)全球增長預(yù)期:西方國家加息對(duì)全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生負(fù)面影響