为“地球巨眼”装上“中国之眸”
——全球最大射电天文望远镜阵列首台中频天线吊装
冯杰
2023年09月22日 02:35
本报记者 崔兴毅
光明日报（ 2023年09月21日 08版）9月20日，中国电科牵头研制的全球最大射电天文望远镜阵列首台中频天线在位于河北石家庄的中国电科网络通信研究院正式吊装。这是国际大科学工程平方公里阵列射电望远镜项目（以下简称“SKA”）进入建设阶段以来建成的首台天线，标志着中国在SKA核心设备研发中发挥了引领和主导作用。
“SKA将为人类认识宇宙提供重要机遇，开启人类探测宇宙的新纪元。”中国电科首席科学家郑元鹏表示，SKA肩负着人类了解宇宙和生命奥秘的使命，将致力于揭示全球各国和人类共同关心的一些基本问题，如探测宇宙、星系的起源和演化，寻找更多的星系，探寻孕育生命的新摇篮，搜索外星生命等。
“地球巨眼”洞悉宇宙奥秘
“SKA项目始于20世纪90年代初，是人类有史以来在建的最大综合孔径射电望远镜，也是多国合作、共同出资的国际大科学工程。”中国电科网络通信研究院总监马英昌介绍，全球约20个国家上百所大学和科研机构的天文学家与工程师参与项目研发，其组成阵列的射电望远镜总接收面积达1平方公里，相当于140个足球场的面积。
据了解，SKA在澳大利亚、南非等8国设有台址，在约3000公里的广袤荒野，将建设约3000面天线，组成1平方公里大的“地球巨眼”，静伏于地球表面观测宇宙深处最神秘的声音。SKA天文台宣传外联部主任威廉·加尼尔告诉记者，作为人类历史上建造规模最大的射电望远镜，SKA建成后将成为地球上最大的科学设施，比目前最大的射电望远镜阵列灵敏度高50倍，巡天速度高10000倍。
“中国电科网络通信研究院作为SKA天线结构工作包联盟的牵头单位，联合来自南非、意大利等国的科研及工业机构，将共同完成SKA天线结构工作包天线的建设任务。”马英昌说。
“听音辨位”汇聚创新结晶
对宇宙目标“精准画像”，除了得天独厚的站址条件外，还要准确地“听音辨位”——这就需要较高的灵敏度和指向精度，还得屏蔽电子设备的电磁辐射干扰，让天线更加专注于宇宙目标。
上述要求离不开集多种关键技术于一身的SKA中频天线。
SKA中频天线结构项目总设计师杜彪介绍，SKA中频天线对效率与波束变形、指向精度、电磁屏蔽与电磁兼容等核心关键指标提出了极高要求，带给设计与研发的挑战前所未有。“为满足高电磁兼容性和高指向精度的世界性技术难题，我们对伺服控制系统设计、动态仿真、标校、调试、测试方法和验证等一系列关键技术开展攻关，完成了高电磁兼容性伺服控制系统的设计、加工和集成工作。”
据悉，SKA中频天线的伺服控制系统需要满足高电磁屏蔽指标，才能实现高灵敏度观测。同时，采用全数字高精度伺服驱动控制设计及高精度座架和天线结构的保型设计，从而实现千分之三度的高指向精度。当接收到观测指令时，分布在上千公里范围的几千面天线将精确地同步对准同一观测目标，持续同步跟踪观测，实现最大的接收效率。
SKA中频天线中心区域阵列建在南非卡鲁地区，属于干旱台地高原，因此天线的运输、集中建设、运行、后期维护等都成为技术人员需要重点考虑的问题。“针对批量化建设、沙漠环境安装集成以及使用维护的特点，为了便于运输与组装，我们对天线反射体、座架、方位俯仰机构和轴承进行了模块化设计，各模块部件像积木一样易于拆装。驱动器、电机、减速机等结构则被设计为现场可更换单元，无需返场维护，便于设备维护。”SKA中频天线结构项目负责人王大为说。
精益求精探寻技术极致
SKA中频天线是一台15米口径的赋形双偏置格里高利天线，天线反射体由主反射体、副反射体、换馈机构和支臂构成。“天线主反射体采用高精度空间网架结构和三角形铝合金面板材质，在实现高精度的同时，也便于维护和快速安装。”SKA中频天线结构项目设计师杨晋蓉介绍，“我们的面板精度达到0.03～0.1毫米，面形精度优于100微米，还不及两根头发丝的厚度，代表了国内面板设计与制造的最高水平。”
高精度要求的背后，是每一个安装环节的极致精密。
SKA中频天线的背架是空间网架结构，采用螺栓球与拉杆螺连的方式安装。SKA中频天线结构项目工艺师王建永介绍，一面天线上有100余个螺栓球、300余根拉杆，100余个螺栓球上的螺孔数量不尽相同，最多可达12个，而且每个螺栓球上的螺孔角度都是唯一的。“也就是说，每个螺栓球在15米×18米×3米的网架中的位置是唯一的，每个螺孔装哪根拉杆也是唯一的。”
如此精密的位置要求，哪怕有一粒小米大小的误差，也会装不上去。为快速、精确完成安装与拆卸，工艺师们经过几十次试验，构建出4个计算模型，并反复研究装配流程，历经2个多月才完全掌握最佳安装方法。“那段时间，脑子里全是螺栓球和拉杆，整天都在琢磨，连做梦都想着。”王建永说。
SKA天线底座的内部有一个设备舱，用来安装望远镜所有电子设备。由于设备运行会产生电磁辐射，为降低辐射对天线的影响，设备舱需要较强的电磁屏蔽性能。
“考虑到天线是在沙漠环境中工作的，要留通风孔用于散热，还要留进出电缆的通道、人维护的空间……别看空间不大，里面却容纳了非常多的设备。如何布置，如何实现电磁屏蔽性能，绝对是个大挑战！”电磁屏蔽舱研制技术负责人窦玉超感慨。
最终，团队经过反复论证，结合每台设备的功率、发热量等进行合理布局。“光是大的方案调整就有四五次，微调更有几十次，我们用了1年时间才找到最优方案。”窦玉超说，找到技术最优解，是团队始终的追求。