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揭秘中國“天眼”背後的故事:攻克多個技術難題

2017-05-19 16:53 來源:工人日報

  在“2016年北京市科學技術獎”獲獎名單中,坐落在貴州黔南布依族苗族自治州、由中國天文臺主導,北京市建築設計研究院有限公司(BIAD)等單位參與設計的“500米口徑球面射電望遠鏡超大空間結構工程創新與實踐”項目榮獲北京市科學技術一等獎。《工人日報》記者日前走進BIAD,探尋中國“天眼”背後的故事。

  中國天眼FAST項目反射面主體支承結構設計負責人朱忠義告訴《工人日報》記者,這個直徑500米、面積達30多個足球場大小的超級望遠鏡,在工程師的圖紙上並非平板一塊,而是由46萬塊三角形單元拼接而成。

  據了解,這個構想起初是我國天文學家于1994年提出的,希望利用喀斯特洼地作為望遠鏡臺址、建設可主動變位的巨型球面望遠鏡。中國科學院國家天文台南仁東教授組織國內外高校和科研院所進行了大量的研究工作,並主持了FAST的建造工作。

  “由於其內置可移動變位的複雜結構索網系統,它的設計完全不同於一般的固定建築,‘天眼’是可主動變位的巨型球面望遠鏡,精度控制要達到毫米級別。”朱忠義介紹説,“天眼”從預研到建成歷時22年,由中國科學院國家天文臺主持建造。2011年底BIAD受國家天文臺委託,承擔“天眼”反射面主體支承結構設計及反射面板與主體結構連接節點的分析工作,簡單來説,就是研究如何完美“拼接”好這些複雜且瑣碎的構件。

  朱忠義説,承接這個項目之後,發現現實情況要比想象困難得多。“當初去貴州考察地形時,發現要把這個巨大的望遠鏡放在這塊地質和地貌都很複雜的岩溶洼地並不容易。”他説,由於邊界複雜,周圍環境高度落差大。支承柱高度就得在3米至50米不等,造成“天眼”的組成部分——圈梁、索網和基礎受力複雜,並且圈梁溫度作用明顯。

  “天眼”設計對精度要求極為苛刻,如何克服地形和溫差的不利條件就成了設計中的一個大難題。為了啃下這塊硬骨頭,項目團隊不停地想對策改方案,最後提出將柱子與圈梁隔開,通過一個徑向可動支座進行滑動釋放。“就是用一種可動的支座連接柱子和圈梁,而不是簡單地焊死,圈梁、索網受力和變形均勻,有利於望遠鏡調整角度。”朱忠義説,為了在均勻溫度環境下作業,僅這一個測量和驗算環節,就花費了4個多月的時間。

  科學界有一句行話叫做“百米極限”,説的是口徑超過百米的射電望遠鏡實現高精度是世界難題。為了做到高精度,就要保障索網精度,BIAD的工程師嚴格把關索網精度,6000多根鋼索長度誤差均不超過1毫米。這樣,索網與圈梁牽固點位置精度也就有了保障。

  高精度意味著高靈敏度。據介紹,“天眼”比美國Arecibo射電望遠鏡的有效接收面積擴大了2.3倍,靈敏度更是遠遠高於後者。“天眼”反射面還可以實時調整形態,成為世界上獨一份的可主動變位望遠鏡。

  地處深山,雨季綿長,蚊蟲橫飛,居住條件簡陋……但在BIAD的工程師看來,不管條件多艱苦,只要能讓世界看到中國製造和中國建造,看到有著北京設計范兒烙印的中國創造就來了精氣神。BIAD總經理徐全勝説,職工的這種精氣神與多年來BIAD注重科研創新人才的培養和輸送有著密不可分的關係。

編輯: 林濤
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