中国发起并全程参与SKA的追梦之旅

□中国科学院国家天文台 喻业钊 刘丽佳 柴晓明 彭勃

中国发起并全程参与SKA的追梦之旅

□中国科学院国家天文台 喻业钊 刘丽佳 柴晓明 彭勃

SKA，中文全称平方千米射电望远镜阵，是国际上多个国家拟共同建设中的一个大型射电望远镜阵列项目。从项目提出伊始，中国天文学家就参与其中，到如今已是23个年头了。近来频繁出现在公众视野中的贵州FAST——500米口径球面射电望远镜，也正是在中国参与SKA项目的过程中孕育出来的。今天，就让我们来了解一下中国射电天文学家这23年的追梦之旅，以及FAST与SKA的不解之缘。

时间要回到1993年，在京都，第24届国际无线电科学联盟大会正在举行。会上包括中国在内的来自10个不同国家的天文学家共同联合发起一个倡议：为了在人类彻底破坏地球电磁环境之前，仔细地在射电波段好好看一眼宇宙的模样，我们要携起手来，建造一个接收面积达到一平方千米的射电望远镜阵列。这个计划，就是现在正在进行中的平方千米阵计划，一般我们用其英文缩写名称称呼它——SKA。

KARST计划在贵州省遴选到的部分候选站址。图中圆点标志出了候选台址，不同颜色代表不同的山峰数目，例如：紫色表示该洼地由3个山峰环抱而成。

提出SKA计划之后，各国纷纷给出自己的技术方案。这些方案基本分为两种：以荷兰、美国为代表的大数量、小天线（Large Number Small Diameter）方案，又称LNSD方案；以中国、加拿大为代表的大天线、小数量（Large Diameter Small Number）方案，又称LDSN方案。中国在1994年就提出自己的实现方案，叫KARST（Kilometer-square Area Radio Synthesis Telescope）。KARST方案计划利用中国云贵高原上天然的喀斯特洼地，建设30个有效口径200米的大望远镜，组成一个射电综合孔径阵列。是的，大家没看错，天文学家们曾经有段时间想在贵州建30个缩小版的FAST望远镜！30个啊！

中国要建的这个望远镜这么大，在世界上都没有先例，工程上是否真的可以实现？这个问题需要天文学家来解答。1994年，天文学家提出KARST方案时就指出了利用贵州天然喀斯特洼地群的想法；1995年，西安电子科技大学提出馈源索驱动概念，进一步增强了KARST的可行性；1996年，为了增强KARST方案在国际的竞争力，北京天文台提出建设KARST先导单元的想法，即先造出一个大天线出来证明我们的想法是可行的；1997年，北京天文台（现国家天文台总部）提出主动反射面概念，至此FAST概念完全建立。1998年，FAST概念正式在国际上宣讲并得到广泛关注。2000年2月，在慕尼黑国际光电工程学会大会上，FAST被公认为未来世界第一大单天线。

早期KARST先导单元FAST设计概念图，当时还是球面镜加线馈源方案。图中涵盖了FAST三大自主创新：喀斯特洼地作台址、索驱动概念（当时是3塔支撑，现在为6塔）和主动反射面。（图片来源：北京天文台与中科院遥感所共同绘制）

KARST方案在不断地推进着，30个大望远镜要放哪里？怎么放？都需要细致的研究。为了给这30个望远镜找到家，1994年8月，国家天文台联合中国科学院遥感与数字地球研究所开始在贵州展开台址考察和无线电环境监测。1995年发表了国际上的第一篇SKA台址无线电频率干扰RFI(Radio Frequency Interference)监测报告。1996年初，在英国曼彻斯特召开的高灵敏度射电天文大会上，中国发表了约400个洼地台址的数据库及对部分台址RFI监测结果。

早期的Y字形阵列排布方案

后期使用优化算法得到的随机型阵列排布方案(Su Yan et al. 2004)。其中小点代表候选台址，圆圈指示出筛选出来的台址。

对于怎么安放这30个望远镜，1993年，大家初步考虑使用Y字形阵列。阵列中心是由多个望远镜组成的直径50千米的圆形致密中心阵，再由这个中心阵往外延伸出三个臂，每个臂排布两个望远镜，整个阵列直径达到300千米。这样的阵列形式比较简单。后来，科学家们觉得应该结合实际台址情况优化出一个更好的排列形式，于是设计了一种“筛选法”，通过设置一些限制条件，用计算机在288个候选台址中筛选出了30个台址，作为一种优化的阵列排布方案。

FAST概念图位于设计方案排行榜榜首

中国的射电天文学家们为了把亲儿子KARST给推销出去，可谓是费尽苦心啊！而努力总是有回报的。FAST作为KARST的先导单元很快在1999年便得到中国科学院的支持，从概念预研转入实验研究阶段。第二年，在曼彻斯特国际天文联合大会上，包括中国在内的10个国家宣布成立国际SKA执行委员会，全面推进SKA国际合作。当时报纸上报道了这一喜讯，并同时公布了当时5种技术方案的排行榜。在这一排行榜中，中国KARST方案名列榜首。

2004年，中国顺利入选为4个SKA台址候选国之一，开展了SKA台址选址报告的准备，以及对候选台址核心区、中央区和边远区的无线电环境监测。2005年，国际SKA电波环境监测小组对候选台址国分别开展了6-8周校准监测。但到了2006年，澳大利亚-新西兰方案和南非-非洲8国方案被优选出来，中国KARST方案无缘继续参与国际竞争。

中国KARST方案之所以落选，主要是因为SKA提出以来10多年间，科学技术飞快发展，SKA的科学与技术目标也随着不断升级，其观测频率上限从最初的1.4吉赫兹提高到了现在的20吉赫兹以上，最远的两个望远镜之间的距离从300千米提升到3000千米。对于中国KARST方案来说，贵州当地多雨的天气状况难以支持10吉赫兹以上的观测，且贵州的喀斯特地貌范围无法承载延伸3000千米远的阵列，无奈只能作罢。

不过中国的射电天文学家们并没有就此气馁，KARST没了，FAST还在呢！这不？FAST这个庞然大物已然矗立在贵州的大山之中了。与此同时，中国人也没停止参与国际共建SKA的步伐。

SKA澳大利亚-新西兰台址（上）与南非-非洲8国台址（下）。图中每个红点都表示一个由多台望远镜组成的小阵列，所有红点共同组成SKA阵列。（图片来源：上图http:// theconversation.com/australias-bid-forthe-square-kilometre-array-an-insidersperspective-4891 ；下图http://www. digitaljournal.com/image/84909 ）

国际共建的SKA涉及多项关键技术，现有的技术不能满足需求，需要集合世界上众多优秀科学家和工程师来共同努力进行攻关。就拿天线技术来说，SKA需要有2500面口径15米的天线，分布在大约3000千米范围的荒漠上。SKA的高性能要依靠单个天线的性能做保证。当然，除了性能要求高之外，还要考虑成本问题。天线数量如此庞大，制造、装配、运输等的便捷性和低成本是摆在工程师面前的一个难题，而且可靠性要求很高，想象一下，在广阔无垠的荒漠上开着二战时代的柴油吉普车（柴油车能避免对正在观测中的望远镜产生干扰）到达坏掉的天线去维修是多么困难啊。

FAST工程全貌（拍摄于2016年7月3日）（图片来源：FAST工程官网 http://fast.bao. ac.cn/upfile/photo/FAST-pic2.html#p=0 ）

星空下的FAST（图片来源：彭冠辰摄于2016年8月29日）

从2008年开始，国家天文台联合中国电子科技集团第54研究所，对SKA天线的概念进行设计，并在2011年加拿大召开的SKA天线概念设计评审会上，提出了两种天线方案DVAC-1和DVAC-2。DVAC是英文Dish Verification Antenna China的缩写，中文意思即“中国碟形验证天线”。DVAC-1是现在SKA天线样机的第一版，2013年从概念设计进入详细设计，通过各项技术攻关，于2014年8月份完成整体安装，这便是中国版的SKA碟形验证天线（如今改名为DVA-C）。DVAC-2是中国设计制造的另一款望远镜，成功应用于澳大利亚SKA的先导项目——ASKAP望远镜阵列上。澳大利亚的ASKAP项目是一个由36面天线组成的射电望远镜阵列，与一般的只在方位和俯仰两个方向转动的天线不同，ASKAP还有第三个方向的转动，即天线面本身的转动，用来消除天体图像在望远镜焦平面上的旋转。这种形式的天线在进行偏振观测或使用相位阵馈源进行观测的时候会有一定的优势。而组成阵列的全部天线，都是由中国电科54所制造安装完成的。

澳大利亚ASKAP望远镜阵列，使用的真是中国制造的类DVAC-2天线。（图片来源：https://www.skatelescope.org/australia/）

SKA总干事菲尔•戴阿孟德（Phil Diamond）教授参观DVA-C的时候，由衷的感叹“中国速度”。DVA-C天线主面板是从抛物面上截取18米乘15米大小的一块，构成一面“大锅”，这种奇怪的形状并不是随意截取的，而是经过专业的光路设计和优化的。这面大锅不是传统的金属面板拼接而成，而是一整块碳纤维面板，采用整体成型工艺制造。碳纤维具有重量轻、刚度大的特点；而且采用整体面板代替拼接，可以减少安装和调试时间。这也是目前世界上最大的单块碳纤维面板。为了把这么大的面板与模具分开，需要把厂房的屋顶拆掉，用吊车去吊装，最后安装到天线座架上。除了DVA-C之外，国际上还有另外两个样机，加拿大的DVA-1和南非的MeerKAT，构成SKA天线的3大候选样机。目前DVA-C望远镜已进行了多次脉冲星观测测试，并将开始尝试进行科学观测。

位于石家庄的DVA-C天线（左）与使用该天线观测到的脉冲星B0329+54积分轮廓（右）

虽然中国和加拿大都制造出了整体成型的碳纤维面板，而且精度很高，比如DVA-C 能达到0.8毫米的面板精度，但是由于SKA要工作到20吉赫兹以上，对面板精度提出更高的要求，要达到0.5毫米。此外，碳纤维面板的寿命和变形情况能不能满足30年的需求尚不清楚，且考虑到在中国制造完成后运输到南非的困难性等，最终这种整体成型的碳纤维面板方案被放弃。现在，被国际评审委员会推荐为SKA的最终样机唯一研发方案的，是由中国和德国联合提出的空间网架-分块铝合金面板天线方案——SKA-P天线。

中国天文学家远不止参与碟形天线建设这一项。从2012年开始到2018年是SKA的建设准备阶段，中国有20位天文学家几乎参与了SKA 13个科学目标工作组的全部研究。2015年，SKA新版科学白皮书出版，其中有19%的章节是中国学者合作参与编写的。SKA关键技术试验研究也是建设准备阶段的重要任务，国际上将SKA研发任务划分为10个工作包，并成立相应的研发联盟，中国参与了其中的6个，其中除了前面提到的碟形天线之外，还有宽带单波束馈源、低频孔径阵列、中频孔径阵列、信号与数据传输以及科学数据处理。

23年风雨兼程，造就了如今世界最大的单口径望远镜FAST；23年的开拓创新，才有中国SKA团队在科学与工程上取得的系列成就。而这一切，都起源于23年前，大家共同萌发出的一个梦想——我们想好好看一眼头上的这片星空。

致谢

感谢国家重点基础研究发展计划项目（973计划）(编号：2013CB837900)支持

（责任编辑 张长喜）

位于南非的SKA反射面天线SKA_Mid 阵列示意图。该阵列将由中国主导设计的SKA-P天线组成。（图片来源：https:// www.skatelescope.org/ multimedia/image/skamid-africa-close-upartists-impression/ ）

构成SKA的另外一种阵列形式，低频孔径阵列，将建在澳大利亚，覆盖频率50到350兆赫兹，由130万个类对数周期天线单元组成5000个直径约35米的子阵。（图片来源：https:// www.skatelescope. org/multimedia/image/ ska-low-frequencyaperture-array-closeup-australia/）