走向世界的“河北造”｜河北造“世界天眼”：追星逐月 探秘蒼穹

　　河北經(jīng)濟(jì)日報(bào)記者 于軍濤 袁立朋

　　時(shí)下，北半球已進(jìn)入寒風(fēng)瑟瑟的初冬，而南半球正春暖花開。在南非共和國北開普省卡那封鎮(zhèn)，一臺(tái)21米高的碟型射電望遠(yuǎn)鏡天線矗立在戈壁灘上，靜靜地“凝望”天空，捕捉著來自浩瀚宇宙的電波。

　　這是正在建設(shè)中的國際大科學(xué)工程項(xiàng)目——SKA（Square Kilometre Array，平方公里陣列）射電望遠(yuǎn)鏡裝置的組成部分。建設(shè)現(xiàn)場忙碌的中國工程師團(tuán)隊(duì)，表明天線來自萬里之外的中國。

　　中國電科網(wǎng)通院工程技術(shù)人員在南非SKA臺(tái)址裝配射電望遠(yuǎn)鏡天線。中國電科網(wǎng)通院供圖

　　“這批天線7月31日從石家莊啟運(yùn)，經(jīng)海路送到南非SKA臺(tái)址，目前正在組裝和測試?！敝袊娍凭W(wǎng)絡(luò)通信研究院（以下簡稱“中國電科網(wǎng)通院”）SKA中頻反射面天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師杜彪自豪地說，首批天線按期出廠發(fā)運(yùn)是中國政府落實(shí)SKA天線陣列實(shí)物貢獻(xiàn)任務(wù)、履行對SKA國際組織承諾的重要里程碑。SKA天線陣列建設(shè)即將進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，這標(biāo)志著中國在參與這一世界最大射電望遠(yuǎn)鏡工程的道路上又邁出了堅(jiān)實(shí)一步。

　　這批凝結(jié)了他們數(shù)年心血的SKA中頻反射面射電望遠(yuǎn)鏡天線（以下簡稱“SKA天線”），不僅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上全球領(lǐng)先，綜合性能的多項(xiàng)指標(biāo)也處于世界先進(jìn)水平。作為SKA的核心設(shè)備，這些天線將組合成陣列，探索第一代天體形成、星系演化、宇宙磁場等國際大科學(xué)問題。

　　“我們很榮幸能參與這項(xiàng)宏偉的國際工程，愿這些凝結(jié)了無數(shù)科研人員心血的河北造‘世界天眼’，助力人類完成探索宇宙奧秘的神圣使命。”杜彪深情地說。

　　SKA天線陣列效果示意圖。圖片來源：SKA官網(wǎng)

　　尋找最優(yōu)解：不放過0.1赫茲

　　“天何所沓？十二焉分？日月安屬？列星安陳？”早在兩千多年前，偉大詩人屈原即以長詩《天問》向上蒼發(fā)出對于宇宙天地本源的叩問。

　　直到如今，人類對宇宙的探索也未曾停歇。20世紀(jì)90年代初，包含中國在內(nèi)的多國天文學(xué)家聯(lián)合倡議籌建下一代大射電望遠(yuǎn)鏡LT（Large Telescope，1999年易名為SKA）。2012年，SKA國際組織決定采用“雙臺(tái)址”方案，即選擇南非和澳大利亞人煙稀少、廣袤無垠的無線電寧靜區(qū)，分別建設(shè)中頻和低頻天線陣列。中頻陣列以南非為核心，這里將安裝超過2500臺(tái)15米口徑的碟型反射面天線。

　　楊豐福（右）和同事探討SKA天線力學(xué)仿真結(jié)構(gòu)。河北經(jīng)濟(jì)日報(bào)記者 袁立朋 攝

　　“相比單口徑射電望遠(yuǎn)鏡天線，SKA天線陣列的優(yōu)勢在于將分布在3000公里范圍內(nèi)的天線組合在一起，形成總接收面積達(dá)1平方公里的天線陣列，從而擁有了極高的靈敏度和分辨率、極快的巡天速度、廣泛的頻率覆蓋能力，成為人類探測宇宙的超強(qiáng)工具。”杜彪說。

　　今年交付的SKA天線采用了“信噪比”更高的“格里高利”光學(xué)系統(tǒng)布局，這種布局形式對天線光學(xué)效率與波束變形、指向精度等核心指標(biāo)都提出了極高要求，給研發(fā)和設(shè)計(jì)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。

　　“這是一次‘前無古人’的設(shè)計(jì)。此前，國內(nèi)沒有能夠完全滿足SKA天線技術(shù)指標(biāo)要求的設(shè)計(jì)方案?！敝袊娍凭W(wǎng)通院SKA力學(xué)仿真系統(tǒng)負(fù)責(zé)人楊豐福說，從2016年開始，他們決心啃下這塊硬骨頭。

　　對天線中心支撐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，曾是讓楊豐福消耗精力最多的工作。在現(xiàn)有設(shè)計(jì)約束條件下，早期的天線結(jié)構(gòu)原型一階諧振頻率只能到1.9赫茲，“這意味著天線在掃描狀態(tài)工作時(shí)達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求?！睏钬S福被迫調(diào)整設(shè)計(jì)思路。

　　然而，雖然增加結(jié)構(gòu)材料能夠提高天線結(jié)構(gòu)剛度，但增加的材料會(huì)使系統(tǒng)增重，進(jìn)而又拉低諧振頻率。一時(shí)間，楊豐福陷入兩難境地。

　　“這是一個(gè)設(shè)計(jì)瓶頸，我必須找到剛度和重量的平衡點(diǎn)?！苯酉聛淼臅r(shí)間里，他進(jìn)入了“瘋狂”計(jì)算狀態(tài)。當(dāng)他在天線中心支撐體設(shè)計(jì)中引入更先進(jìn)的拓?fù)鋬?yōu)化算法后，數(shù)據(jù)逐漸由“無解”趨向“有解”，1.91赫茲、1.92赫茲……終于達(dá)到2.5赫茲。

　　“成功了！這種材料分布形式的結(jié)構(gòu)就是我要找的最優(yōu)解?！睏钬S福興奮不已。此時(shí)的他，已經(jīng)記不得與毫厘之差的數(shù)據(jù)“鏖戰(zhàn)”了多少個(gè)日夜，優(yōu)化迭代了多少個(gè)算法版本。

　　2023年9月20日，首臺(tái)SKA天線在位于石家莊市鹿泉區(qū)的測試場完成吊裝。在10米高的底座上，巨大的碟形天線緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)，掃描天穹，“諧振頻率正常、指向精度正常……”聽著同事們傳來的消息，楊豐福異常欣慰。

　　只求最精準(zhǔn)：競逐0.5角秒

　　SKA天線陣列的強(qiáng)大，不在于單個(gè)天線的口徑大小，而在于陣列優(yōu)勢。位于我國貴州的“中國天眼”FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope），是目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。如果說FAST是探秘宇宙的一位“超級英雄”，那么SKA天線陣列就相當(dāng)于“第一軍團(tuán)”。當(dāng)接收到觀測指令時(shí)，分布在3000公里范圍內(nèi)的幾千面天線，將會(huì)同步對準(zhǔn)同一觀測目標(biāo)，步調(diào)一致地持續(xù)跟蹤觀測，從而實(shí)現(xiàn)最大的接收效率。

　　中國電科網(wǎng)通院研發(fā)的SKA天線俯仰運(yùn)動(dòng)范圍為15°到90°，方位運(yùn)動(dòng)范圍為正負(fù)270°。如何讓約50噸重的天線指向精準(zhǔn)，耿旭光負(fù)責(zé)的天線伺服控制系統(tǒng)成為關(guān)鍵。

　　耿旭光在電磁兼容實(shí)驗(yàn)室內(nèi)檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接狀態(tài)。 河北經(jīng)濟(jì)日報(bào)記者 袁立朋 攝

　　“射電望遠(yuǎn)鏡天線尋找天體時(shí)，指向精度以角秒為單位，3600角秒等于1度。天線的伺服控制系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)極高的精微控制水平，才能滿足觀測要求?！惫⑿窆饨榻B說，SKA天線比以往的射電望遠(yuǎn)鏡天線有更高的指向精度要求，小到1角秒的偏差，可能會(huì)使實(shí)際觀測距離產(chǎn)生近半光年的距離誤差，導(dǎo)致觀測失敗。

　　之前的經(jīng)驗(yàn)用不到新設(shè)備上，耿旭光埋頭扎進(jìn)國外資料堆里，寫方案、做實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果、更新方案，如此循環(huán)往復(fù)。迭代數(shù)次后，耿旭光拿出一套天線伺服控制器的優(yōu)化算法，增加了軌跡規(guī)劃等新功能。同時(shí)，他對伺服系統(tǒng)的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入計(jì)算，采用了可變減速比、逼近擬合算法、分區(qū)參數(shù)優(yōu)化等辦法，進(jìn)一步提升了伺服系統(tǒng)的控制精度。“滾珠絲杠機(jī)構(gòu)是高精度伺服設(shè)備最理想的選擇，只要我們持續(xù)優(yōu)化，就一定能讓精密度更上一層樓?！惫⑿窆夂茏孕?。

　　與此同時(shí)，天線也需要用光學(xué)標(biāo)校的方式進(jìn)行精度校準(zhǔn)。耿旭光和同事們又開始“追星”之旅。每天夜幕降臨，他們準(zhǔn)時(shí)來到測試場，通過傳統(tǒng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對天線伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行精度標(biāo)校，一直工作到啟明星升起?！爸挥型ㄟ^光學(xué)和電子雙重標(biāo)校的設(shè)備，才是穩(wěn)定可靠的?！泵颗_(tái)設(shè)備標(biāo)校都要進(jìn)行多輪，時(shí)間往往以月計(jì)。

　　精誠所至，金石為開。天線伺服系統(tǒng)驗(yàn)收時(shí)，運(yùn)動(dòng)精度達(dá)到了0.5角秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，耿旭光和同事們擊掌相慶。

　　中國SKA專項(xiàng)專家委員會(huì)總工程師王楓介紹說，SKA陣列建成后，將比目前世界最大的厘米波射電望遠(yuǎn)鏡陣列靈敏度提高50倍、巡天速度提高10000倍，其綜合性能將在本世紀(jì)至少保持30年至50年的領(lǐng)先地位。

　　追求最穩(wěn)定：攻克0.01毫米

　　“我的工作比較有趣，主要是玩‘樂高游戲’?！敝袊娍凭W(wǎng)通院SKA天線結(jié)構(gòu)總工藝師王建永經(jīng)常這樣調(diào)侃。他的職責(zé)是進(jìn)行天線總裝，與其他工程師相比，王建永的任務(wù)處于研發(fā)生產(chǎn)流程的后期。

　　天線能否“看”得更準(zhǔn)，不僅取決于設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量，還取決于天線結(jié)構(gòu)能否提供足夠的穩(wěn)定性。

　　王建永（中）和同事探討SKA天線總裝工藝。河北經(jīng)濟(jì)日報(bào)記者 袁立朋 攝

　　SKA天線采用了雙偏置構(gòu)造，由主副反射面、換饋機(jī)構(gòu)以及支臂構(gòu)成。主反射面是15米×20米的長六邊形空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由66塊曲率各不相同的三角形面板拼裝而成，面積達(dá)235平方米。天線背部由300多根拉桿、100多個(gè)螺栓球組成骨架，支撐面板在運(yùn)動(dòng)時(shí)克服重力、溫度和風(fēng)力等影響，保持天線穩(wěn)定。這種結(jié)構(gòu)好處在于靈活，但也給天線穩(wěn)定性帶來極大挑戰(zhàn)。

　　“以前的天線面板單元都是扇形，SKA天線使用了曲率各不相同的三角形分塊，顛覆了以往的設(shè)計(jì)?！蓖踅ㄓ勒f，這對裝配提出了更高要求，主反射面的面形精度誤差均方根值要小于0.25毫米，副反射面的面形精度誤差均方根值要小于0.15毫米。只有這樣，天線的波束變形誤差均方根值才能滿足要求?！捌鋵?shí)這也像搭樂高積木，每一步都要精細(xì)操作，才能做出與眾不同的作品。”

　　如何裝配才能達(dá)標(biāo)？王建永設(shè)計(jì)了4種裝配流程，進(jìn)行優(yōu)化匹配，最終找到了一個(gè)最優(yōu)方案，使面板裝配精度控制到0.2毫米之內(nèi)，精度超過目前所有同類天線。

　　但是，這還不是最難啃的骨頭。

　　在進(jìn)行俯仰軸承安裝時(shí)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要做到軸承裝配誤差不超過0.01毫米，而當(dāng)時(shí)國際上同規(guī)格天線的軸承裝配誤差是0.1毫米，標(biāo)準(zhǔn)一下子提高10倍。

　　“這個(gè)指標(biāo)，相當(dāng)于幾乎完全消除機(jī)械運(yùn)動(dòng)對天線穩(wěn)定性的影響，簡直是一座難以逾越的大山?！蓖踅ㄓ览潇o下來，召集同事們討論思路。

　　實(shí)現(xiàn)這么高的標(biāo)準(zhǔn)，不僅意味著整個(gè)裝配流程要重塑，而且裝配工具也必須更新?lián)Q代，以匹配前所未有的高精度要求。他們著手緊急采購，卻發(fā)現(xiàn)市場上根本沒有這么高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

　　“自己設(shè)計(jì)，打造一套咱們獨(dú)有的‘兵器’！”王建永和同事們達(dá)成一致，開始沉下心來設(shè)計(jì)高精度專用裝配工具。與此同時(shí)，裝配流程也緊鑼密鼓重新設(shè)計(jì)，盡可能將誤差降到最低。

　　耗時(shí)整整一個(gè)月，一套全新的流程誕生了。大家使用新設(shè)計(jì)的工具進(jìn)行了組裝測試。測試結(jié)果顯示，誤差小于0.01毫米。“超級穩(wěn)定的天線問世了！”歡呼聲又一次響起在車間。

　　SKA天文臺(tái)宣傳外聯(lián)部主任威廉·加尼爾說，中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院承建SKA首批共64臺(tái)中頻反射面天線項(xiàng)目，是國際同行對該院在射電天文領(lǐng)域天線結(jié)構(gòu)的研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力的認(rèn)可，“我們期待繼續(xù)合作，共同交付世界上最強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡。”

　　日邁月征，草木漸豐。南非即將迎來又一個(gè)熱鬧的夏天，越來越多的“河北造”SKA天線也將在這里拔地而起，為探秘茫茫宇宙默默地貢獻(xiàn)中國力量。