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来源: 首都建设报     2017年05月19日        版次: 01     作者:

    举超级“天眼”望苍穹

    北京建院解密世界最大单口径射电望远镜结构设计

    ■本报记者 李博

    一口“大锅”支起在贵州平潭县喀斯特洼坑中,这架于2016年9月落成启用的500米口径球面射电望远镜工程被誉为“中国天眼”。单是自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏、超大空间结构这些标签足以让参与设计的北京市建筑设计研究院有限公司面临空前难度。

    凭借创新设计,FAST结构工程创新与实践荣获2016年北京市科学技术一等奖。“超级天眼”是如何设计又是如何架设起来的?北京建院日前首度解密。

    反射面板达30个足球场 

    “中国天眼”项目反射面主体支承结构设计负责人朱忠义博士介绍,FAST由我国天文学家于1994年提出构想,从预研到建成历时22年。2011年,北京建院受国家天文台委托,承担“中国天眼”反射面主体支承结构设计及反射面板与主体结构连接节点分析。

    望远镜越大意味着可以看得更远。设计“中国天眼”之前,世界最大的望远镜是在007等电影中出现过的美国阿雷西博射电望远镜。在全新设计思路下,北京建院突破了射电望远镜口径的“百米极限”困境。通过铺设近46万块三角形单元拼接成了一个球冠状主动反射面,在接收射电信号时可以“摇曳”形成最大300米口径的瞬时抛物面,使望远镜接收机与传统抛物面天线一样处在焦点上。

    “天眼”眼球直径达500米,而负责接收光线的眼珠直径就有300米,也就是说“中国天眼”拥有约30个足球场大小的接收面积,比美国望远镜有效接收面积扩大了2.3倍,还能“骨碌”地转动,灵敏度也超越美国望远镜。

    可动支座支撑均匀受力

    “中国天眼”位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇大窝凼洼地中,当地属于地质、地貌复杂的喀斯特地形,周边环境复杂。更加严峻的是,周围环境高度落差大,如何能在山区复杂环境中支撑起这架“巨型天眼”考验设计师的智慧。

    FAST主动反射面能覆盖40度的天顶角,并不是固定在山谷底部,而是由一套索网结构拉起来,随着天体的移动发生变化,形成瞬时抛物面,极大提升观测效率。

    “为了适应复杂的地理环境,用于支撑望远镜的支承柱高度在3米至50米不等,支撑结构基础受力复杂。”为解决这些复杂的难题,北京建院设计团队提出将柱子与圈梁隔开,通过一个径向可动支座进行滑动释放,解决了复杂山区环境对结构受力的影响,并减小了索网变位过程中应力变化幅,望远镜反射面变位也更加灵活。

    朱忠义解释说,用一种可动的支座连接柱子和圈梁,而不是简单的焊死,圈梁、索网受力和变形均匀,有利于望远镜调整角度。

    钢索长度误差不超1毫米

    朱忠义说,在500米直径范围内实现望远镜的精度是世界性难题,“中国天眼”有着相当于30个足球场的接收面积,所有信号最后都聚集在一个指甲盖大小的空间,可谓前所未有。

    保障“天眼”接收机高精度定位的关键就是保障索网精度。首先索网与圈梁牵固点位置精度要高,北京建院设计团队通过理论分析与现场实测精确定位牵固点位置。

    索网的精度同样需要严格把关,十几米长的钢索长度误差不超过1毫米。通过节点盘消除建造过程中的误差,节点盘连接了6根索,6根索通过销轴与节点盘的关节轴承无间隙配合连接,从而消除安装过程中的误差,确保望远镜指向精准。

    望远镜可主动变位

    与固定不动的美国阿雷西博射电望远镜不同,“中国天眼”工作时,反射面能实时调整形态,在观测方向形成300米口径瞬时抛物面以汇聚电磁波。

    朱忠义介绍,FAST使用了一套柔性化的网索系统,网索系统由600多根面索组成,面索通过2225根下拉索与促动器调节曲率,使“天眼”反射面形成所需的抛物面,从而实现望远镜可主动变位的功能。

    北京建院表示,这台世界最大的单口径望远镜设计寿命30年,将在未来10到20年保持世界一流设备的地位,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。这些高精尖科技成果的获得,得益于北京建院对科研的重视和坚持。依托新的技术手段,建立专项研究机构,为设计创新突破提供无限可能。

    北京建院副总经理郑实说,北京建院及合作团队通过“中国天眼”工程创新与实践,提升了中国工程建造水平,整合了产业链上下游。“中国天眼”项目研究成果也推广应用于多项国家重点工程。

    ■企业/供图