全球最大射电阵列望远镜“大耳朵”背后的那些事儿

2018-02-11 08:49 来源:科技日报 
2018-02-11 08:49:16来源:科技日报作者:责任编辑:赵清建

  2月6日下午,以中国主导研制的未来全球最大的阵列射电望远镜——SKA(平方公里阵列射电望远镜),其首台天线在石家庄出厂。从外观上看,它像是一只立着的“大耳朵”,它是人类探究宇宙的“大耳朵”。

  科技部副部长黄卫说:“第一台天线样机的成功研制不仅是SKA工程研发的一个重大成果,它还展现了中国智慧,代表了我国持续参与国际大科学工程的决心。”

  选址澳大利亚和南非因为人口密度小

  SKA全称Square Kilometre Array,其总部设在英国曼彻斯特大学Jodrell Bank(卓尔班克)天文台,参与SKA的正式成员国有中国、英国、澳大利亚、南非、加拿大、意大利、荷兰、瑞典、新西兰和印度等10个国家。

  最初的一个建设方案当中,我国提出在贵州建立固定式超大口径球形天线阵,但没有被采纳,再综合考虑各种因素之后,选址定在南非和澳大利亚,采用中等口径天线阵列的设计方案。SKA的地址之所以选择澳大利亚和南非,是因为这两个地方人口密度小,人造噪声低,全年天气极好,适合射电望远镜阵列全天候观测。

  1981年,美国已建成的甚大阵列射电望远镜VLA,是目前在用的最大阵列射电望远镜。

  这次建设的超大天文望远镜网络(SKA),由2500多个碟状天线组成,一旦SKA建成,那么SKA的灵敏度,将是VLA的50倍;巡天速度是VLA的1万倍,这大大扩展了人类的视野。

  2011年,包括中国在内的7个创始成员国联合成立了SKA独立法人机构SKA组织(SKAO)。

  2013年,SKAO向全球发布包括基础建设在内的11个工作包任务,其中天线工作包是其中最主要、最核心的部分。同年,SKA反射面天线工作包联盟成立。为更好地发挥中方优势和作用,SKA中国办公室应运而生,由中国电科54所和国家天文台共同组建射电天文技术联合实验室,代表我国参与SKA反射面天线的设计与研发工作。

  2015年11月,SKA反射面天线工作包联盟在加拿大召开国际专家评审会,中国电科54所提交的SKA天线创新性设计方案,因在性能、技术成熟度、工程可实施性和成本等方面的显著优势,最终被宣布为SKA后续研发唯一设计方案。

  该射电望远镜天线由中国设计和生产。从此,在SKA国际大科学工程中,我国正式从跟跑进入领跑,开始为世界提供“天线解决方案”。

  综合性价比超过目前国际所有同类天线

  如果说,选址是靠地利,无疑,拿到SKA反射面天线工作包天线设计方案,最终靠的是实力!

  让我们引以自豪的中国天眼FAST,其两大最关键、最核心的系统就是出自54所。载人航天、嫦娥探月、北斗卫星导航系统、索马里护航、奥运安全保障、汶川地震等通信保障与救援、国庆阅兵等国家重大工程与事件都有54所人的身影。

  拥有完全自主知识产权的SKA天线,再次见证了54所在国际大科学工程中的实力!

  反射面天线是SKA的核心设备,其性能关乎SKA整体性能和主要科学目标的实现。SKA对天线技术指标和工程建设提出了极高的要求,一方面需要高灵敏度、高指向精度、高指向一致性、高电磁屏蔽性、超宽频带及大视场等性能指标要求,另一方面又提出低制造成本、快速建设、便于维护和长寿命的要求。

  54所首席专家、SKA反射面天线总设计师杜彪告诉记者,SKA反射面天线经历了从概念天线样机、初步设计方案、详细设计方案、首台样机等几个研发阶段。在研制过程中,首次进行了机电综合分析和流体固体耦合分析,形成了多学科、多专业合作。在结构设计上,首次设计出空间网架分块金属面板的双偏置格里高利天线,首次采用一次性制造难的高精度三角形面板,替代以前的扇形面板,采用了双偏置天线结构,可容纳5个馈源,实现了宽频带覆盖(0.3GHz-20GHz)。在安装上,为了使首次采用的螺栓球杆结构,精细到比盒尺的精度还高,通过设计师和工艺师合作实现设计与制造工艺的一体化。

  杜彪说,反射面的精度直接影响天线的灵敏度,在重力、温度和风载荷影响下,首台天线主反射面的精度达到0.5毫米,副反射面精度达0.2毫米,综合性价比超过目前国际所有同类天线。

  如今,由射电天文技术联合实验室牵头国际团队研发的首台天线样机最终在技术上满足SKA所有指标要求,同时还将天线重量减少到以往同类天线重量的2/3,降低了天线的建设成本、提高了工程建设效率。

  SKA将检验爱因斯坦广义相对论正确与否

  这台天线还实现了高电磁屏蔽,为这只“耳朵”倾听宇宙声音屏蔽掉电子设备辐射的电磁信号,让它更加专注于宇宙目标。

  2月6日,SKA首个仰望星空、机敏灵活的天线“出炉”。这是由科技部主导的参与国际大科学工程,又一里程碑事件。

  在SKA所有的建设工作任务中,反射面天线是最主要、最核心的部分。中国电科总经理刘烈宏说,首台天线的成功研制标志着中国在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,为世界成功提供“天线解决方案”。

  SKA组织总干事菲利普·戴蒙德说,“中国同事的经验是我们能拥有一个成本可控的SKA反射面天线的绝对关键。”

  据介绍,SKA建成后,总接收面积将达“一平方公里”,相当于140个足球场大。这个大望远镜将致力于揭示和回答关于“基本力”等问题。比如,检验爱因斯坦的广义相对论正确与否,探寻宇宙磁场是从哪里来的,是怎么演化的等等。

  “参与国际大科学工程,不仅展示了实力,积累了经验,锻炼了平均不到35岁的老中青相结合的队伍,还坐实该领域的国际领跑位置,同时,带动了当地参与天线制造企业装备能力的提高和工人技术水平的提升。”杜彪说,在去年10月份,中国电科SKA办公室副主任、54所专家王枫被推举为SKA天线包联盟主席,这是我国首次牵头国际大科学工程的核心工作包。刘廉君

[责任编辑:赵清建]

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