“中国天眼”凝聚中国制造

洪大禹

【摘要】：FAST是世界最大单口径射电望远镜，于2016年9月25日在贵州省平塘县落成启用。落成启用当天，习近平总书记在贺信中指出，500米口径球面射电望远镜被誉为“中国天眼”，是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。它的落成启用，对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。

【关键词】：FAST、创新、中国制造

作为世界上最大的单口径巨型射电望远镜，FAST直径500米，高差173米，从空中俯瞰，就像一口由群山环抱的“超级大锅”。“锅面”——巨大的球冠形反射面;“锅”正中央悬空的“盒子”——馈源舱;支撑“锅”的无数道线——索网等支撑结构。一点一面多线，牢牢撑起了这个庞然大物。与此同时，FAST还保持着国际一流的灵敏度和综合性能。它的索网结构会随着天体的移动自动变化，带动钢索网上活动的4450个反射面板产生变化，使得FAST保持足够的灵敏度。

美国阿雷西博望远镜的馈源平台重达1000吨，几乎等于用固定轨道把平台架设在半空，这样的设计有利于馈源的定位，却缩小了观测角度。国家天文台副台长郑晓年说，中国“天眼”采取了轻型索支撑馈源平台方案，把馈源舱减重到30吨，覆盖天顶角是美国望远镜的两倍，并通过并联机器人二级调整，最终在降低建造成本的同时，实现毫米级高精度定位。

但可变形的反射面和可牵引运动的馈源舱又带来新问题，“天眼”信号传输用的光缆要能在5年内抗6.6万次拉伸、信号衰减小于0.1dB，而国家标准仅为1000次、0.2dB，国外相关技术被封锁。馈源支撑系统副总工程师潘高峰说，参与研制光缆的是烽火通信科技股份有限公司和北京邮电大学林中教授团队。当时烽火通信的生产线全部饱和，一条生产线每天产能40千米，每次为生产200米的试验光缆，来回调整配方工艺要耽误两天。光缆试验一次周期长达数月，林中教授不仅为设计提供大量技术研究，为确保试验周期不中断，除夕夜还坚持去实验室记录试验数据。

“经过多次试验，花费4年时间，最终用在‘天眼’上的动光缆可经受反复弯曲、卷绕和扭转等机械性能和恶劣自然环境考验，满足了设计需求，但项目预算的研制经费只有300万元。”500米口径球面射电望远镜工程总工艺师王启明说，还有很多参建企业和科研单位，都首先从社会责任出发支持大科学工程，把经济效益放在其次。

“天眼”工程是一套复杂的系统工程，除了反射面、馈源舱和接收机等核心系统，还包括庞杂的综合布线工程和数据处理系统。“高灵敏度”、“更多来自宇宙的讯息”也意味着海量数据存储和复杂的计算要求。

中国“天眼”作为射电天文学界的重要突破，其对数据存储与计算的需要同样也是“天文级”的。短期内“天眼”的计算性能需求至少需达到每秒200万亿次以上，存储容量需求达到10PB以上。而随着时间推移和科学任务的深入，其对计算性能和存储容量的需求将爆炸式增长。

由曙光公司打造的超算中心的接入，就像是给“天眼”连接上了计算“大脑”，将其探测到的未知信息处理成人类可解读的内容。据曙光公司总裁历军透露，超算系统全部建成后，将以更高效能的数据存储、分发、计算和分析全力支撑“天眼”高灵敏度、高性能的天文观测。

中科院国家天文台台长严俊说，中国“天眼”的研制和建设，体现了我国自主创新能力，由最初不到5人的研究小组发展到上百人的团队，工程建设凝聚了国内100多家单位的力量，实现了我国大科学工程由跟踪模仿到集成创新的跨越，将为我国射电天文多个研究领域和自然科学相关领域提供重大发现的机会。

FAST规模之大、精密度之高、视野之广，综合体现了中国高技术创新能力。其建造工程从前期选址到设计研发、后期维护都由中国科学家完成。FAST选址始于1994年，科学家们前后考察400余處，最终选定贵州省大窝凼洼地。此后，FAST的创意经过10多年反复锤炼，其间对主动反射面、光机电一体化的馈源支撑系统、高精度的测量与控制、接收机等多项关键技术开展了长达14年的合作研究，凝聚了来自多家科研单位的众多中国科学家的创新研究。

建成启用后的FAST，在探测宇宙中的遥远信号和物质方面，将成为对脉冲星、类星体等各种暗弱辐射源进行精密观测的利器，有助于解答宇宙初始混沌、暗物质分布与大尺度结构以及星系演化等领域的谜团。同时，在深空探测、脉冲星自主导航、高分辨率微波巡视和太空天气预报等方面，也将发挥重要作用。除了单向接收宇宙信号之外，FAST也具备提供星际间的深空通讯能力。如果有人类航天器飞到远至太阳系外缘行星，仍然能够通过FAST和地球联系上。