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)濟日報記者 于軍濤 袁立朋

　　時下，北半球已進入寒風瑟瑟的初冬，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21米高的碟型射電望遠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。

　　這是正在建設中的國際大科學工程項目——SKA（Square Kilometre Array，平方公里陣列）射電望遠鏡裝置的組成部分。建設現(xiàn)場忙碌的中國工程師團隊，表明天線來自萬里之外的中國。

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

　　“這批天線7月31日從石家莊啟運，經(jīng)海路送到南非SKA臺址，目前正在組裝和測試?！敝袊娍凭W(wǎng)絡通信研究院（以下簡稱“中國電科網(wǎng)通院”）SKA中頻反射面天線結構項目總設計師杜彪自豪地說，首批天線按期出廠發(fā)運是中國政府落實SKA天線陣列實物貢獻任務、履行對SKA國際組織承諾的重要里程碑。SKA天線陣列建設即將進入批量生產(chǎn)階段，這標志著中國在參與這一世界最大射電望遠鏡工程的道路上又邁出了堅實一步。

　　這批凝結了他們數(shù)年心血的SKA中頻反射面射電望遠鏡天線（以下簡稱“SKA天線”），不僅結構設計上全球領先，綜合性能的多項指標也處于世界先進水平。作為SKA的核心設備，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問題。

　　“我們很榮幸能參與這項宏偉的國際工程，愿這些凝結了無數(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90年代初，包含中國在內的多國天文學家聯(lián)合倡議籌建下一代大射電望遠鏡LT（Large Telescope，1999年易名為SKA）。2012年，SKA國際組織決定采用“雙臺址”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天線力學仿真結構。河北經(jīng)濟日報記者 袁立朋 攝

　　“相比單口徑射電望遠鏡天線，SKA天線陣列的優(yōu)勢在于將分布在3000公里范圍內的天線組合在一起，形成總接收面積達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”光學系統(tǒng)布局，這種布局形式對天線光學效率與波束變形、指向精度等核心指標都提出了極高要求，給研發(fā)和設計帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。

　　“這是一次‘前無古人’的設計。此前，國內沒有能夠完全滿足SKA天線技術指標要求的設計方案。”中國電科網(wǎng)通院SKA力學仿真系統(tǒng)負責人楊豐福說，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構的優(yōu)化，曾是讓楊豐福消耗精力最多的工作。在現(xiàn)有設計約束條件下，早期的天線結構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)工作時達不到設計指標要求。”楊豐福被迫調整設計思路。

　　然而，雖然增加結構材料能夠提高天線結構剛度，但增加的材料會使系統(tǒng)增重，進而又拉低諧振頻率。一時間，楊豐福陷入兩難境地。

　　“這是一個設計瓶頸，我必須找到剛度和重量的平衡點?！苯酉聛淼臅r間里，他進入了“瘋狂”計算狀態(tài)。當他在天線中心支撐體設計中引入更先進的拓撲優(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……終于達到2.5赫茲。

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

　　2023年9月20日，首臺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動，掃描天穹，“諧振頻率正常、指向精度正?！甭犞聜儌鱽淼南?，楊豐福異常欣慰。

　　只求最精準：競逐0.5角秒

　　SKA天線陣列的強大，不在于單個天線的口徑大小，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天線陣列就相當于“第一軍團”。當接收到觀測指令時，分布在3000公里范圍內的幾千面天線，將會同步對準同一觀測目標，步調一致地持續(xù)跟蹤觀測，從而實現(xiàn)最大的接收效率。

　　中國電科網(wǎng)通院研發(fā)的SKA天線俯仰運動范圍為15°到90°，方位運動范圍為正負270°。如何讓約50噸重的天線指向精準，耿旭光負責的天線伺服控制系統(tǒng)成為關鍵。

　　耿旭光在電磁兼容實驗室內檢查實驗設備連接狀態(tài)。 河北經(jīng)濟日報記者 袁立朋 攝

　　“射電望遠鏡天線尋找天體時，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鏡天線有更高的指向精度要求，小到1角秒的偏差，可能會使實際觀測距離產(chǎn)生近半光年的距離誤差，導致觀測失敗。

　　之前的經(jīng)驗用不到新設備上，耿旭光埋頭扎進國外資料堆里，寫方案、做實驗、分析結果、更新方案，如此循環(huán)往復。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，他對伺服系統(tǒng)的滾珠絲杠機構進行深入計算，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，進一步提升了伺服系統(tǒng)的控制精度?！皾L珠絲杠機構是高精度伺服設備最理想的選擇，只要我們持續(xù)優(yōu)化，就一定能讓精密度更上一層樓。”耿旭光很自信。

　　與此同時，天線也需要用光學標校的方式進行精度校準。耿旭光和同事們又開始“追星”之旅。每天夜幕降臨，他們準時來到測試場，通過傳統(tǒng)光學望遠鏡對天線伺服機構進行精度標校，一直工作到啟明星升起。“只有通過光學和電子雙重標校的設備，才是穩(wěn)定可靠的。”每臺設備標校都要進行多輪，時間往往以月計。

　　精誠所至，金石為開。天線伺服系統(tǒng)驗收時，運動精度達到了0.5角秒，遠遠超越了設計標準，耿旭光和同事們擊掌相慶。

　　中國SKA專項專家委員會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至少保持30年至50年的領先地位。

　　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’。”中國電科網(wǎng)通院SKA天線結構總工藝師王建永經(jīng)常這樣調侃。他的職責是進行天線總裝，與其他工程師相比，王建永的任務處于研發(fā)生產(chǎn)流程的后期。

　　天線能否“看”得更準，不僅取決于設計和制造的質量，還取決于天線結構能否提供足夠的穩(wěn)定性。

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

　　SKA天線采用了雙偏置構造，由主副反射面、換饋機構以及支臂構成。主反射面是15米×20米的長六邊形空間網(wǎng)架結構，由66塊曲率各不相同的三角形面板拼裝而成，面積達235平方米。天線背部由300多根拉桿、100多個螺栓球組成骨架，支撐面板在運動時克服重力、溫度和風力等影響，保持天線穩(wěn)定。這種結構好處在于靈活，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，顛覆了以往的設計?！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?！捌鋵嵾@也像搭樂高積木，每一步都要精細操作，才能做出與眾不同的作品?！?/p>

　　如何裝配才能達標？王建永設計了4種裝配流程，進行優(yōu)化匹配，最終找到了一個最優(yōu)方案，使面板裝配精度控制到0.2毫米之內，精度超過目前所有同類天線。

　　但是，這還不是最難啃的骨頭。

　　在進行俯仰軸承安裝時，設計標準要做到軸承裝配誤差不超過0.01毫米，而當時國際上同規(guī)格天線的軸承裝配誤差是0.1毫米，標準一下子提高10倍。

　　“這個指標，相當于幾乎完全消除機械運動對天線穩(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。

　　實現(xiàn)這么高的標準，不僅意味著整個裝配流程要重塑，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準的產(chǎn)品。

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

　　耗時整整一個月，一套全新的流程誕生了。大家使用新設計的工具進行了組裝測試。測試結果顯示，誤差小于0.01毫米?！俺壏€(wěn)定的天線問世了！”歡呼聲又一次響起在車間。

　　SKA天文臺宣傳外聯(lián)部主任威廉·加尼爾說，中國電科網(wǎng)絡通信研究院承建SKA首批共64臺中頻反射面天線項目，是國際同行對該院在射電天文領域天線結構的研發(fā)、設計和生產(chǎn)能力的認可，“我們期待繼續(xù)合作，共同交付世界上最強大的射電望遠鏡?！?/p>

　　日邁月征，草木漸豐。南非即將迎來又一個熱鬧的夏天，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中國力量。