“FAST”總工藝師：建最牛“天眼” 此生沒白活
領(lǐng)先世界20年可探索地外文明和宇宙起源 精度比美國提高10倍
記者爬1500級臺階拍攝的“FAST”。
“FAST”總工藝師王啟明。(受訪者提供)
7月3日，直徑500米的球面射電望遠(yuǎn)鏡“FAST”在貴州架設(shè)完成，它是目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，同時也是我國迄今為止最大的天文工程。
如今，位于黔南的這口“大鍋”儼然成為全世界關(guān)注的熱點(diǎn)，它甚至成了改變中國天文史的標(biāo)志物。
“FAST”是如何建成的?它究竟有多牛?又將為中國的天文科考帶來哪些深遠(yuǎn)影響?昨日，廣州日報記者專訪了中國科學(xué)院國家天文臺“FAST”項目總工藝師王啟明。王啟明表示，這臺巨型射電望遠(yuǎn)鏡創(chuàng)造了很多奇跡，體現(xiàn)了我國日臻進(jìn)步的自主創(chuàng)新能力，未來也將推動我國在天線制造技術(shù)、微波電子技術(shù)、并聯(lián)機(jī)器人、大跨度結(jié)構(gòu)、公里范圍高精度動態(tài)測量等高新技術(shù)的發(fā)展。
文/廣州日報記者肖歡歡(除署名外)
圖/廣州日報記者張丹(除署名外)
“太累了，我10點(diǎn)半才回到住處。”今年55歲的王啟明顯得很疲憊，嗓子有些沙啞。“FAST”建成后，他一直在協(xié)調(diào)后期調(diào)試工作，一天要開好幾場會。
按計劃，這口“大鍋”要調(diào)試兩個月，到9月底才投入使用。王啟明從2000年就參與了這個項目，至今已有16年，他把一生中最美好的青春年華都獻(xiàn)給了“FAST”。
“當(dāng)年這個項目啟動時，我還是年輕小伙子呢，現(xiàn)在我兩鬢都有白頭發(fā)了”理工科出身的王啟明是個性格爽朗的人，但說起FAST，王啟明還是感慨萬千，他把這個項目比喻成一個慢慢長大的孩子。
為“FAST”選“家”風(fēng)餐露宿
為什么要建這么一口“大鍋”?王啟明解釋，這就像用“鍋蓋天線”收看衛(wèi)星電視一樣，鍋蓋的口徑越大，電視畫面就也越清晰。對于射電望遠(yuǎn)鏡來說，口徑越大，看得越遠(yuǎn)。全世界的射電天文學(xué)家都追求建造更大口徑的望遠(yuǎn)鏡，以提高靈敏度。此前，世界上口徑最大的射電望遠(yuǎn)鏡是美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，口徑300米。
近40年來，涉及天文學(xué)的10項諾獎獲獎成果中，6項是通過射電天文手段取得的。射電天文學(xué)，已經(jīng)成為孕育重大天文發(fā)現(xiàn)的搖籃。
王啟明說，1994年4月，中科院國家天文臺就開始了選址工作。大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的選址，地貌要最接近天線鍋的形狀，這樣方便建造，工程量小，不用開山炸石，同時附近5至10公里范圍內(nèi)不能有電磁波信號發(fā)射。
為了給這口“大鍋”安家，團(tuán)隊成員幾乎把貴州的喀斯特地貌區(qū)“挖”了個遍，同時有兩路人馬獨(dú)立搜尋，初步確定了300多個候選洼坑。然后又通過計算機(jī)模擬工程填挖量，從中選出30多個實地考察，最后才選中了不大不小、深度合適、形狀很圓、適于施工建設(shè)的“大窩凼”，“大窩凼”的喀斯特地質(zhì)條件可以保障雨水向地下泄流,不在表面淤積而損壞望遠(yuǎn)鏡。
王啟明回憶說：“當(dāng)時在戶外工作，風(fēng)餐露宿，渴了就喝一口溪水，餓了，就吃幾口隨身帶的干糧，冬天饅頭硬得像石頭，牙都崩掉了一個。有時候，一個星期都不能下山。”
22年建起世界最牛“天眼”
起初，因為資金嚴(yán)重短缺，有人建議說口徑能不能減小一點(diǎn)，400米算了。但最終，科研團(tuán)隊還是頂住了壓力，堅持不縮小口徑。2007年7月10日，F(xiàn)AST項目正式立項，王啟明記得，那一天，他流下了激動的淚水。
從此，王啟明過上了北京、貴州“兩點(diǎn)一線”的日子。挖臺址，治理邊坡，用了9個月;安裝圈梁，用了17個月。
2014年7月17日，團(tuán)隊開始為FAST制造和安裝索網(wǎng)，是FAST工程的一大技術(shù)難點(diǎn);這是世界上跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也是世界上第一個采用變位工作方式的索網(wǎng)體系，6670根主索和2225根下拉索完整地拼出了“天眼”的索網(wǎng)，很快索驅(qū)動工程相繼完工。索網(wǎng)建成，反射面安裝工程隨之開始。反射面是FAST望遠(yuǎn)鏡的重要組成部分，共有4450塊的反射面板單元。2016年7月3日，當(dāng)最后一塊反射面板安裝好時，王啟明懸了16年的心終于放下了。
“100多人奮戰(zhàn)了20多年了，有些都已經(jīng)不在了，我們的團(tuán)隊，老的有‘40后’，年輕的是‘90后’。”說起這些，王啟明有些哽咽，其實項目的每一步進(jìn)展，都冒著風(fēng)險，比如牽引“大鍋”的索網(wǎng)，材料是含碳元素85%的高碳鋼，它具備高彈性、抗拉伸、抗疲勞的特征，材料的一些要素，是國家標(biāo)準(zhǔn)的2.5倍。
“這種材料在國內(nèi)沒人能生產(chǎn)出來。”為了攻克這種鋼索技術(shù)，王啟明和團(tuán)隊一共用了兩年時間，先后找了國內(nèi)頂級的鋼索廠和幾所高校，才把鋼索問題解決。
為火星探測奠定基礎(chǔ)
王啟明介紹，F(xiàn)AST的兩大科學(xué)目標(biāo)是巡視宇宙中的中性氫和觀測脈沖星，前者可研究宇宙大尺度物理學(xué)，以探索宇宙起源和演化，后者可研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律。
由于靈敏度提高，F(xiàn)AST能看到更遠(yuǎn)、更暗弱的天體，通過探測星際分子、搜索可能的星際通信訊號，尋找地外文明的概率將提升5至10倍。去年曾引起轟動的引力波，就是科學(xué)家利用阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的，并獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。中國500米直徑大射電望遠(yuǎn)鏡將為自然科學(xué)，尤其是物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域的研究提供一個全新平臺。此外，F(xiàn)AST也將為我國火星探測等深空研究奠定重要基礎(chǔ)。
據(jù)悉，美國阿雷西博望遠(yuǎn)鏡50多年一直無人超越，但如今FAST跟它相比，綜合性能提高了約10倍。
FAST靈敏度究竟有多高?王啟明打了個比方：“假設(shè)你在月球上打電話，F(xiàn)AST可以探測到你的信號。”
王啟明告訴廣州日報記者，這次FAST所使用的材料和工藝，基本上都是中國產(chǎn)的，充分體現(xiàn)了中國的自主創(chuàng)新能力。“做了這么一件有意義的事件，感覺這輩子也算沒白活。從目前看在世界上還是比較牛的。下一步，需要我們的科學(xué)家把它投入使用了。”
王啟明說，外國科學(xué)家參觀后也感到很震撼。“他們都很期待我們這個全世界最先進(jìn)的天文設(shè)備能成為人類觀測外太空的利器，有新的科研成果出來。”
而中國科學(xué)院國家天文臺副臺長鄭曉年也表示，作為世界最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST將在未來20~30年保持世界一流設(shè)備的地位。
對話
FAST望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)先國際20年
廣州日報：7月3日，射電望遠(yuǎn)鏡的主體已經(jīng)安裝完畢，為何調(diào)試要用兩個多月，而不立即投入使用?
王啟明：你在施工現(xiàn)場也能看到，這是個很大的工程，變電站和箱式變壓器就有7個。現(xiàn)在只是把硬件完成了，因為裝備是由很多家單位一起合作研制的，有做測量的、做控制的、有做機(jī)電的，安裝完成后要先空載測試，然后再進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。
另外，對這種工藝系統(tǒng)的驗收，要求是非常嚴(yán)格的。就跟房屋裝修一樣，要趁著裝修公司還沒走，要盡早排查和解決問題。
“天眼”并非“死眼”
廣州日報：這個“觀天巨眼”建設(shè)前后一共花了13年時間，他的施工難度難在哪里?
王啟明：望遠(yuǎn)鏡反射面總面積為25萬平方米，相當(dāng)于30個足球場那么大。它具有目前世界上跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。僅圈梁、索網(wǎng)和支撐饋源艙的6座高塔就用掉1萬多噸鋼材。盡管反射面板才1毫米厚，也用掉2000多噸鋁合金。
此外，望遠(yuǎn)鏡在現(xiàn)場施工上也有很多困難。首先是臺址現(xiàn)場環(huán)境的約束。現(xiàn)場是一個喀斯特洼地，最高落差有150米，不能用大吊車，吊車過不去。
再次，我們建設(shè)的這只“天眼”并非“死眼”，它是可以動的。根據(jù)觀測的方向，它會拉扯索網(wǎng)來變形天線鍋。如同人類轉(zhuǎn)動自己的眼珠，這樣遙遠(yuǎn)的太空對它來說將不存在方向上的死角。美國阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，它是固定在地面上不動的。所以，我們的建設(shè)難度就要大很多。
廣州日報：這個“眼珠”是如何轉(zhuǎn)動的?
王啟明：6索并聯(lián)驅(qū)動控制系統(tǒng)是FAST項目核心部件饋源艙的主控制系統(tǒng)，它可以控制饋源艙進(jìn)行姿態(tài)位置調(diào)整，從而精確地達(dá)到反射面的焦點(diǎn)位置，使饋源艙獲取信號能力達(dá)到最佳。就像人的睫狀體一樣，能夠調(diào)節(jié)眼球的焦距使眼球能清晰地看清遠(yuǎn)近物體。
此外，與索網(wǎng)相連的2000多個小電機(jī)控制著整個變形過程，6條400多米的鋼索吊起30噸重的饋源艙，移動范圍可達(dá)200米。在移動過程中，每一部分的位移都要控制在毫米級。射電望遠(yuǎn)鏡建成后，將成為中國天文研究和自然科學(xué)研究的利器，不光是現(xiàn)在，未來20年內(nèi)都將保持世界領(lǐng)先地位。
不懼壞天氣但怕電磁干擾
廣州日報：這口“大鍋”不要弄個蓋子防止雷擊等惡劣天氣嗎?
王啟明：作為射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST的基本原理和人們常見的鍋式衛(wèi)星天線相差無幾，只不過這口大鍋接收的，是非常微弱的宇宙信號。它主要由反射信號的拋物面和接收信號的饋源艙兩大部分組成。通過“鍋”的反射聚焦，把幾平方米到幾千平方米的信號聚攏到一點(diǎn)上。如果搞個鍋蓋，那它的功能豈不是喪失了?
對于雷電等惡劣天氣，我們有防雷系統(tǒng)，對于冰雹，我們有防雹炮，把冰雹打碎，打成小塊。還有下雪的問題，雪對貴州影響很小，這里一年只有幾天，氣溫在零攝氏度以下。總體上，我們考慮是很周全的。
廣州日報：射電望遠(yuǎn)鏡對電磁波干擾有很高要求，是不是以后周圍幾公里內(nèi)都不能有電磁信號?
王啟明：你說對了，這里對電磁波信號干擾要求很嚴(yán)。貴州省剛剛專門為我們這個設(shè)備立了法。要求距離FAST項目5公里以內(nèi)的基站全關(guān)掉。現(xiàn)場不能用手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)，汽車不能用電子打火，包括過來的中巴，都要燒柴油車才行。
廣州日報：這個射電望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計壽命是多長?
王啟明：設(shè)計壽命是30年，國外的望遠(yuǎn)鏡大多都超期服役。阿雷西博望遠(yuǎn)鏡也早就超期服役了，到期后，經(jīng)過一些升級改造，還是可以繼續(xù)使用的。整個FAST工程造價大約是11億元。
特寫
實地探FAST
“瘋狂”的天坑
FAST項目位于貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)綠水村的大窩凼。隨著FAST選址的確定，這座只有30多萬人口的小縣城，變得熱鬧異常。
時至今日，越來越多的旅游者涌入這座小縣城，目的就是一睹能夠聽到天外來客聲音的“超級大鍋”。
在平塘，當(dāng)?shù)厝烁嗟胤Q呼FAST為“天坑”或者“大射電”，頭一種稱呼形容了它的形狀，而后一種則更有“文化”。無論是哪一種稱呼，凡是外地人提到FAST，當(dāng)?shù)厝丝倳b指向大山深處，那里距縣城有一百多公里。
“天坑”影響力
在距離“天坑”還有十多公里時，兩棟黃色的建筑在平地上拔地而起，與周圍的低矮民房相比突兀異常。
“一棟是文化園，另一棟是一家五星級酒店。”司機(jī)王師傅介紹說，由于“天坑”即將竣工，所以其他的配套設(shè)施都在緊鑼密鼓地趕工趕點(diǎn)。“天坑”帶來的旅游效應(yīng)將會非常突出。
在塵土飛揚(yáng)的路邊，行人都可以感受到“天坑”強(qiáng)大的影響力：無論是賣飲料的小店，還是餐飲店，所有的標(biāo)識牌上均是將“天坑”的圖片作為底色，頗為顯眼。記者了解到，在周邊的航龍村、塘邊鎮(zhèn)也將開發(fā)眾多的旅游項目。
“天坑”的巨大影響力，讓農(nóng)業(yè)人口占90%以上的平塘縣，看到了其將會帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益。彼時，曾經(jīng)的農(nóng)業(yè)縣也將華麗轉(zhuǎn)身為“旅游大縣”。
崇山峻嶺現(xiàn)“天坑”
從平塘縣城到“天坑”所在的克度鎮(zhèn)，100多公里全部是省級公路。盡管路面頗為平坦，但由于全部都是環(huán)山公路，因此，路邊偶爾還是會見到大小不一山上落下的碎石。
而從省道到達(dá)克度鎮(zhèn)之后，仍要行駛十多公里的真正山路。不但路面崎嶇不平，而且碎石也多了起來。
即便如此，在昨日這個非周末時間，仍然有不少私家車找尋著前往“天坑”的道路。
“這條路能到FAST嗎?”不少車主在山路上顛簸了幾十分鐘，忍不住下車詢問過往的車輛。當(dāng)?shù)玫搅丝隙ǖ拇饛?fù)之后，車主又踩著油門沖上了崎嶇的山路。
在崎嶇山路旁，是一個個頗為類似“天坑”的深谷。在深谷的平地上，可以看到有不少人家仍居住于此。
“在‘天坑’周圍五公里范圍內(nèi)，所有的村莊都遷了出去，而且就連通訊基站也不能設(shè)置。”一位當(dāng)?shù)卮迕窠榻B說，“天坑”的到來給靠天吃飯的他們帶來的新的“機(jī)遇”，他們也希望能夠依托“天坑”過上更加優(yōu)越的生活。
行至崇山峻嶺間，王師傅也開始專心起來，坑坑洼洼的山路由不得他半點(diǎn)分神。七轉(zhuǎn)八轉(zhuǎn)之后，當(dāng)看到一座高聳的大山時，王師傅還是忍不住提醒道：“在那座山的后面，就是‘天坑’。”
1500級臺階40層樓
由于要趕工期，在進(jìn)入“觀景臺”的道路開始封閉。從封閉的路口到“觀景臺”的工程區(qū)，需要行走將近五公里的路程，然后才能進(jìn)入到轟鳴聲不斷的工地上。
由于“天坑”整體仍然沒有竣工，到達(dá)工地的游客，則扶著臨時搭建的腳手架，一步步拾級而上前往工程中的“觀景臺”。
“兩邊都有上‘觀景臺’的臺階，一共有1500級臺階，每級臺階是0.15米。”在工地上做工的一位工人告訴記者，由于他的工作是給臺階加固，每天需要這樣沿著臺階爬上爬下四次。
記者粗略估算了一下，以每邊臺階750級計算，從工地到達(dá)“觀景臺”的高度高達(dá)112.5米，而以每層樓的高度為2.8米來計算，從工地平臺到“觀景臺”就有40層樓的高度。
盡管如此，仍然有不少游人來到了“觀景臺”，終于看到了位于山谷之中的“天坑”FAST。記者在“觀景臺”俯瞰發(fā)現(xiàn)，這口FAST的底部，有許多白色的小柱子整齊地排布著，中間位置則是完全類似于民用的“天線鍋”，不同的是，在“鍋”的四周等距排列著六個聳立的天線塔。
游人在一睹“超級大鍋”的真容之后，便開始陸陸續(xù)續(xù)地往下走。
“天坑”給人們帶來極大的旅游熱情，人們開始幻想，它能否聽到“天外來客”的聲音?
