今天下午，由中國(guó)主導(dǎo)研制的國(guó)際大科學(xué)工程SKA(平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡，簡(jiǎn)稱SKA)首臺(tái)天線將在石家莊出廠，這將是一個(gè)世界矚目的時(shí)刻。在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所(簡(jiǎn)稱中國(guó)電科54所)工程現(xiàn)場(chǎng)，將有來(lái)自10余個(gè)國(guó)家的天文和工程技術(shù)專家、SKA天線工作包聯(lián)盟參與國(guó)大使及科技參贊，SKA組織、科技部、中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、SKA中國(guó)辦、中國(guó)電科、省科技廳等單位有關(guān)專家和領(lǐng)導(dǎo)，以及國(guó)內(nèi)外眾多媒體共同見(jiàn)證這一國(guó)際科學(xué)盛事。
這是繼2015年12月54所提交的新穎天線設(shè)計(jì)方案被批準(zhǔn)成為SKA后續(xù)研發(fā)的唯一方案后，又一里程碑事件。將標(biāo)志著中國(guó)在SKA核心設(shè)備研發(fā)中發(fā)揮引領(lǐng)和主導(dǎo)作用，在國(guó)際大科學(xué)工程中，為世界成功提供“天線解決方案”，標(biāo)志著中國(guó)為國(guó)際天文領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)。
SKA天線樣機(jī)(資料片)
河北新聞網(wǎng)專訪SKA天線工作包聯(lián)盟主席、中國(guó)電科SKA辦公室副主任、54所專家王楓
SKA將顛覆人類對(duì)宇宙和基本物理定律的理解
SKA：靜伏在地球荒野探聽(tīng)宇宙奧秘的“精靈”
SKA始于上世紀(jì)九十年代初，是人類有史以來(lái)在建的最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，是多國(guó)合作、共同出資的國(guó)際大科學(xué)工程。全球約20個(gè)國(guó)家上百個(gè)大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的天文學(xué)家和工程師參與項(xiàng)目研發(fā)。
SKA選址在澳大利亞、南非及非洲南部8個(gè)國(guó)家的無(wú)線電寧?kù)o區(qū)域,在約3000公里的廣袤荒野中，將建設(shè)2500面15米口徑反射面天線(Dish)。可以想象，幾千面天線，從中心向外呈旋臂狀延伸，從空中望去，如同靜靜伏在地球表面的一只巨大“海星”，延伸著長(zhǎng)長(zhǎng)的“觸角”，傾聽(tīng)來(lái)自宇宙最深處的聲音。
SKA之所以命名，是因?yàn)榻M成陣列的射電望遠(yuǎn)鏡總接收面積達(dá)一平方公里,相當(dāng)于140個(gè)足球場(chǎng)大。SKA天線工作包聯(lián)盟主席、中國(guó)電科SKA辦公室副主任、54所專家王楓介紹，它的建設(shè)將為現(xiàn)有工程技術(shù)和研發(fā)水平帶來(lái)質(zhì)的飛躍，顛覆人類對(duì)宇宙和基本物理定律的理解。
王楓說(shuō)，靈敏度和巡天速度是射電望遠(yuǎn)鏡非常重要的兩個(gè)指標(biāo)。靈敏度越高，天線“看”得就越遠(yuǎn)，探測(cè)宇宙的能力就越強(qiáng);巡天速度越快，天線“掃描”和“觀測(cè)”同一天區(qū)的速度就越快，天線的工作效率就越高。SKA將成為地球上最大、最先進(jìn)的科學(xué)設(shè)施，比目前最大的射電望遠(yuǎn)鏡陣列——美國(guó)EVLA的靈敏度提高50倍，巡天速度提高10000倍。據(jù)專家估計(jì)，建成后的SKA，其性能在本世紀(jì)至少保持30-50年的領(lǐng)先地位。
如此龐大的項(xiàng)目，前無(wú)古人，非一國(guó)之力可以完成。中國(guó)是參與SKA項(xiàng)目的創(chuàng)始國(guó)之一。2011年， 7個(gè)創(chuàng)始成員國(guó)聯(lián)合成立了SKA獨(dú)立法人機(jī)構(gòu)SKA組織(SKAO)。目前SKAO有10個(gè)成員國(guó)，總部設(shè)在英國(guó)，尚有多個(gè)國(guó)家正在申請(qǐng)成為成員國(guó)。
SKA大作用：開(kāi)啟人類探測(cè)宇宙的新紀(jì)元
SKA橫跨兩個(gè)大陸，其最長(zhǎng)基線距離是3000公里，基線越大，望遠(yuǎn)鏡的分辨率越高，觀測(cè)就越精細(xì)，“繪制”的宇宙“圖景”也更有價(jià)值，更讓人期待。
專家認(rèn)為，SKA將為人類認(rèn)識(shí)宇宙提供重要機(jī)遇，開(kāi)啟人類探測(cè)宇宙的新紀(jì)元。它寄予著人類了解宇宙和生命奧秘的使命，將致力于揭示全球各國(guó)和人類共同關(guān)心的一些基本問(wèn)題。“它將探測(cè)宇宙、星系的起源和演化，尋找更多的星系，探尋孕育生命的新?lián)u籃、搜索外星生命等”，54所SKA反射面天線總設(shè)計(jì)師杜彪說(shuō)，“它還將致力于揭示和回答關(guān)于‘基本力’問(wèn)題。比如，檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論正確與否;探尋宇宙磁場(chǎng)從哪里來(lái)，怎么演化的。”
科學(xué)家認(rèn)為，通過(guò)對(duì)SKA相關(guān)科學(xué)目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)的研究，將能促進(jìn)天文前沿研究和方法創(chuàng)新，大幅提升天文、基礎(chǔ)物理、信息科學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究水平。
從跟跑到領(lǐng)跑：“中國(guó)智慧”為世界提供解決方案
54所參與SKA項(xiàng)目，始于2008年澳大利亞SKA探路者項(xiàng)目(ASKAP)。該天線綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)用戶期望，受到了澳方的高度贊揚(yáng)，為54所參與進(jìn)而主導(dǎo)SKA反射面天線研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2013年，SKAO向全球發(fā)布包括基礎(chǔ)建設(shè)在內(nèi)的11個(gè)工作包任務(wù)，其中天線工作包是其中最主要、最核心的部分。同年，SKA反射面天線工作包聯(lián)盟(SKADC)成立，承接SKA天線工作包相關(guān)研制工作,成員包括9個(gè)國(guó)家的20家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)。
為更好地發(fā)揮中方優(yōu)勢(shì)和作用， SKA中國(guó)辦公室應(yīng)運(yùn)而生，隸屬科技部領(lǐng)導(dǎo)。由54所和國(guó)家天文臺(tái)共同組建的射電天文技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(JLRAT)代表中國(guó)參與SKA反射面天線的設(shè)計(jì)研發(fā)。
據(jù)悉，SKA反射面天線經(jīng)歷了從概念天線樣機(jī)、初步設(shè)計(jì)方案、詳細(xì)設(shè)計(jì)方案、首臺(tái)樣機(jī)等幾個(gè)研發(fā)階段，中國(guó)的地位和作用隨之日益提升。
“研制概念天線，是為了驗(yàn)證SKA反射面天線的概念設(shè)計(jì)是否可行。”杜彪說(shuō)。2014年8月17日，54所研制的SKA中國(guó)驗(yàn)證天線(DVA-C)成功落成。15×18米的橢圓形反射面，采用碳纖維復(fù)合材料整體成型，中國(guó)成為世界上僅有的兩個(gè)掌握該技術(shù)的國(guó)家之一。“該天線面型精度0.8毫米，研制用時(shí)僅10個(gè)月，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。”SKAO總干事Philip Diamond在現(xiàn)場(chǎng)視察時(shí)給予高度評(píng)價(jià)，盛贊其體現(xiàn)了“中國(guó)速度”。
中國(guó)驗(yàn)證天線的成功，為中國(guó)參與SKA天線初步設(shè)計(jì)方案的競(jìng)爭(zhēng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2015年11月，SKA天線工作包聯(lián)盟在加拿大召開(kāi)國(guó)際專家評(píng)審會(huì)，54所提交的SKA天線初步設(shè)計(jì)方案，因其性能、技術(shù)成熟度、工程可實(shí)施性和成本等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，被推薦為后續(xù)唯一研發(fā)方案。隨后，該方案由天線工作包聯(lián)盟董事會(huì)決議推薦給SKAO，SKAO召集國(guó)際專家復(fù)審。最終，SKAO正式宣布其為SKA后續(xù)研發(fā)的唯一設(shè)計(jì)方案，標(biāo)志著中國(guó)開(kāi)始在SKA天線研發(fā)中發(fā)揮引領(lǐng)作用，從此，在SKA國(guó)際大科學(xué)工程中，中國(guó)從跟跑進(jìn)入領(lǐng)跑，開(kāi)始為世界提供“天線解決方案”。
再接再厲：研制SKA首臺(tái)天線，中國(guó)首次牽頭SKA工作包聯(lián)盟工作
在初步設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，54所技術(shù)人員歷時(shí)一年，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，完成了詳細(xì)設(shè)計(jì)工作。2016年12月,54所提交的SKA天線詳細(xì)設(shè)計(jì)方案在7個(gè)國(guó)家30多位專家和代表的國(guó)際評(píng)審下，在對(duì)700多個(gè)技術(shù)及管理問(wèn)題進(jìn)行逐條答辯后，順利通過(guò)評(píng)審，由此進(jìn)入天線樣機(jī)制造階段。
“SKA首臺(tái)天線啟動(dòng)是SKA項(xiàng)目具有里程碑意義的重要事件”，54所所長(zhǎng)張桂華介紹。綜合考慮天線性能和成本，通過(guò)千百次的建模計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、仿真測(cè)試、工藝試驗(yàn)，SKA首臺(tái)天線完全能夠滿足SKA的要求，該天線具備了高性能、輕量化、低功耗、低成本、易安裝、易測(cè)試、日常維護(hù)簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)、易批量生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)。“(其)成功研制，體現(xiàn)了中國(guó)在天線領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、智慧和能力”。
張桂華指出，由于中國(guó)在SKA反射面天線中的突出貢獻(xiàn)，2017年10月，在多個(gè)國(guó)家的激烈競(jìng)爭(zhēng)博弈中，在科技部和SKA中國(guó)辦的積極推動(dòng)和大力支持下，射電天文技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室成為SKA天線工作包聯(lián)盟的牽頭單位，王楓成為聯(lián)盟的新主席。中國(guó)電科總經(jīng)理劉烈宏說(shuō)，“這是中國(guó)第一次正式牽頭SKA工作包聯(lián)盟工作，全面領(lǐng)導(dǎo)SKA工程核心設(shè)備研發(fā)。從參與到領(lǐng)導(dǎo)，體現(xiàn)了中國(guó)在射電天文領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和突破，也為中國(guó)今后發(fā)起組織新的國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。”
千呼萬(wàn)喚始出來(lái)：SKA首個(gè)仰望星空、機(jī)敏靈活的“大耳朵”，綜合性能全球領(lǐng)先
SKA-P是54所主導(dǎo)研制的SKA首臺(tái)樣機(jī)。來(lái)自世界各地的上百名專家、學(xué)者見(jiàn)證了它的誕生。一聲“啟動(dòng)”，10米高的底座上，反射體緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)，猶如一只機(jī)敏靈活的“大耳朵”，俯仰之間，從15°到90°，緩緩掃過(guò)天際;水平轉(zhuǎn)動(dòng)，左右270°，從容巡視天空。
自2013年始，無(wú)數(shù)次的探討與研究，數(shù)度激烈的研討與競(jìng)爭(zhēng)，反復(fù)的試驗(yàn)與仿真，最終成就了這只包含眾多科學(xué)家期望與54所技術(shù)人員心血的“耳朵”。
這是一只“精密”的“耳朵”。它包含主副兩個(gè)反射面，主反射面是一個(gè)15×20米的長(zhǎng)六邊形，面積達(dá)235平方米，超過(guò)半個(gè)籃球場(chǎng)大。主反射面由66塊曲率各不相同、邊長(zhǎng)約3米的三角型面板拼裝而成。54所團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了數(shù)百次的系列試驗(yàn)研究，歷經(jīng)30余次工藝試驗(yàn)，最終完美實(shí)現(xiàn)了單塊三角型面板0.1毫米的精度。
這是一只靈敏的“耳朵”。在重力、溫度和風(fēng)載荷影響下，在其俯仰工作范圍內(nèi)，主反射面的精度達(dá)到0.5毫米，副反射面精度達(dá)0.2毫米。反射面的精度直接影響天線的靈敏度，SKA-P的工作頻率為0.3-20GHz。54所SKA天線總設(shè)計(jì)師杜彪說(shuō)，“SKA-P的綜合性價(jià)比超過(guò)了目前所有同類天線”。同時(shí)，它采用高電磁屏蔽天線座架設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了160dB的高電磁屏蔽指標(biāo)。如果把天線的靈敏度比作“傾聽(tīng)的能力”，那么，高電磁屏蔽則是為這只“耳朵”傾聽(tīng)宇宙聲音屏蔽掉電子設(shè)備輻射的電磁信號(hào)，讓天線更加專注于宇宙目標(biāo)。
這是一只強(qiáng)大的“耳朵”。它采用了全數(shù)字高精度伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、高精度座架和天線結(jié)構(gòu)的保型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了千分之三度的高指向精度，當(dāng)接收到觀測(cè)指令時(shí)，它能精確地指向待測(cè)目標(biāo)。同時(shí)，分布在3000公里范圍的幾千面天線要同步對(duì)準(zhǔn)同一觀測(cè)目標(biāo)，并持續(xù)同步跟蹤觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)最大的接收效率，SKA-P在設(shè)計(jì)制造中實(shí)現(xiàn)了“步調(diào)一致聽(tīng)指揮”的“高指向一致性”。
SKA為中國(guó)帶來(lái)的影響：作為成員國(guó)，有望獲得一定觀測(cè)時(shí)間
首臺(tái)天線啟動(dòng)，標(biāo)志著SKA工程即將進(jìn)入建設(shè)階段。據(jù)王楓介紹，SKA建設(shè)將分為兩個(gè)階段：SKA1和SKA2，SKA1建設(shè)階段項(xiàng)目總投入約6.74億歐元，預(yù)計(jì)在三年左右建成130臺(tái)天線，該階段為試觀測(cè)階段，為SKA2大批量生產(chǎn)奠定工程技術(shù)、經(jīng)費(fèi)和科學(xué)觀測(cè)基礎(chǔ)。
目前，SKA各成員國(guó)正在協(xié)商出臺(tái)SKA天文臺(tái)公約。據(jù)了解，SKA1建成后，各成員國(guó)可以按照出資情況和貢獻(xiàn)度按比例獲得一定的觀測(cè)時(shí)間，可以共享SKA獲得的各項(xiàng)原始數(shù)據(jù)。“SKA‘看’得更遠(yuǎn)，‘看’得更清楚，必定會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的天外星系，為人類帶來(lái)很多意想不到的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，一定會(huì)極大地推動(dòng)我國(guó)天文、物理及信息技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的研究水平，提高我國(guó)在國(guó)際上的影響力和地位。”杜彪說(shuō)。
可以預(yù)見(jiàn)，“中國(guó)設(shè)計(jì)”和“中國(guó)制造”將閃耀著“中國(guó)智慧”、“中國(guó)精神”，領(lǐng)跑SKA天線研制，為人類觀測(cè)宇宙做出中國(guó)貢獻(xiàn)。
