第一次看到“天眼”招聘，我感觉这个项目不靠谱

‍大家好，我是姜鹏，是中国科学院国家天文台的一名研究员，今天我想和大家分享的是关于我参与中国天眼研制的故事。

脉冲星是一个高密度的天体，一颗方糖大小的体积，质量就能达到上亿吨，它的发现有可能为我们揭示更多极端物理条件下的物理规律，是我们宇宙最精确的灯塔。

探测到这个脉冲星的中国天眼，是一个500米口径的射电望远镜，它的反射面面积相当于30个足球场的大小，是世界上最大的单口径射电望远镜。这是用中国的自主研发的天文设备，第一次探测到新发现的脉冲星。

(资料图片仅供参考)

我是FAST项目的调试工作负责人，第一次接触到这个项目，是在2009年。那年，我博士毕业，正面临着人生迷茫的十字路口——是应该继续博士的研究方向？还是寻找一个新的挑战，做自己感兴趣的事情？

时间总催促着人做决定，却也会带来机会的降临。那时候的机会，是一张招聘启事。

“一个500米直径的索网，能变形，抛物面可以在它的不同的部位形成，而且要求控制精度达到毫米级……”这应该就是FAST最初的招聘了，对于当时的我来说，太不可思议。我甚至觉得，这个项目可能是一个忽悠人的项目，比卖拐还不靠谱。

然而这个招聘启事又“别有用心”地附上了一个发改委的批文，告诉我这是一个真实存在的大科学工程。

一、技术难题每时每刻都在降临

带着对这个项目如何实现的好奇，我走入了天眼工程的项目建设。

进来后，发现事情和我想象中的并不一样。令我困惑的技术难题，很多都在研制阶段。就连当时的总工南仁东先生，也并不确定这个望远镜是否一定能达到他的设计指标。

于是我们就开始了逢山开路、遇水搭桥的过程，从无到开挖、到环梁结构、再到铺索网，到最后建成500米口径的射电望远镜，整整8年时间都投入到这个项目中去。我们的团队也从始至终坚持了22年，最后建成了世界上最大的单口径射电望远镜。

这个“大科学工程”，确实是挺大的。如果把FAST比喻成盛满了水的一口锅，我们全世界每个人都可以分4瓶，够大家所有人喝一天的。

它的反射面则像是天眼的视网膜，它是一个500米口径的钢梁，架在50根巨大的钢柱子上，670根钢索编成的索网挂于横梁，上铺4450块反射面单元，下设2225根下拉索，固定在地面上的触动器上。

触动器拽动下拉索，就能控制索网的形状，一会儿是球面，一会儿是抛面，以进行天文信号的收集和观测。

这样大的射电望远镜，首先要做的是结构设计。项目团队不得不为4450块反射面单元设计出380多个种类，那为什么不设计成一样的呢？因为人类所知道的最多正面体只有正二十面体，不像正多边形，想做多少边就做多少边。所以我们只能在正二十面体的基础上进行再划分，这样所有单元就不一样了，这也是我们能做到的最均匀的网状划分形式。

在连接方式上，我们用的是500米直径的钢梁，1度温度的变化就会产生6毫米的变形，50度就是300毫米的变形，对于钢结构来讲强度上很大的。

我们没有采用传统结构中会破坏整理性的“温度缝”，而是设置滑移支座，5800多吨钢梁放置于50根柱子上，在环梁和柱子间设置滑移支座，钢梁就能在这50根柱子上自由地收缩、扩张，来释放热胀冷缩产生的钢梁变形。中间的索网有约7000吨的载荷，也是对于钢梁定位的一种约束。

用一句话来形容这个索网结构，那就是它是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的索网工程。一般一项工程有一项世界第一就已经很难了，但是这个索网却集齐了三项世界第一，可以想象它的难度有多大。我们遇到的第一个技术难题就是索疲劳问题。FAST的索网不止需要承重，还要求能变形，钢索更像是弹簧，对疲劳性能的要求极高。

我们购入了市面上的十种钢索进行疲劳实验，没有一例能满足要求的，打击很大。

当时时间非常紧迫，我们的总工程师南仁东，经常在办公室里隔三差五找我去讨论技术问题，每次见到他，他头发都是立着的，天天在焦虑，手足无措，不知道该怎么解决。

到底需要采用什么疲劳性能的钢索呢？我们第一件事就是，预估未来30年内望远镜的预经轨迹。如图，一个月的轨迹就是一些连线，半年后就是一个黑团了，有了这些数据就可以进行大规模的历史仿真，最后得到钢索疲劳损伤的分布图。

可以看出，越在中间的钢索用的几率越大，疲劳性越高。与此同时，我们也要考虑一些不确定因素，比如观测年限，虽然设计寿命是30年，但真正使用时间不止30年。再如，我们所有的仿真状态也都是在理想状态下进行的，一旦设备发生故障也会有影响。最后，我们钢索的疲劳强度是规范标准的两倍还要多。

望远镜的运行轨迹如何？每根索在未来30年承受的应力如何？观测年限要设计成多少年？设备故障怎么办？

于是，我们进行了最系统、规模最大的一次索疲劳试验，而且是由天文台这个单位负责进行的。我们几乎经历了所有可能的破坏形式——铆柱的损伤破坏、单丝的磨损破坏，所有可能的我们都经历了。

在与多家企业进行合作、经历近百次失败后，历时两年终于研制出了适用于FAST的成品钢索结构。

从那以后，南老师的头发——平了！钢索的难题还不止如此，要把1670根钢索变成索网，需要毫米级的成形精度。每根索都长短、粗细不一，一根索的加工、安装失误，都有可能导致整个索网无法精确成形。

此外，温度变化也要考虑，我们要在恒温间专门进行加工；构件的间隙也要注意，每根索差1毫米，到索网边缘就要误差60多毫米。

所以，我们对每根索的加工都有影像记录，方便知道错在哪了。

即便如此，我们加工第一批1600根的钢索时，占总量的四分之一，发现个别精度还是有问题，只能把它们全部返厂重新加工。

开始挂索网时，精度要控制在两毫米内，我们开了好几次会，想了一系列的办法，琢磨了两个多月。

最后在周围的150根钢索上布置了力传感器，将力控和形控结合，非常巧妙地实现了精确定位。

之后就涉及到索结构的安装，我当时刚毕业到天文台工作，不是很擅长。这时，东南大学的郭振兴团队主动请缨接手，他们对此非常有经验，最后出了一个非常好的方案。

说方案好吧，其实也挺“笨”的。索都是在空中一根一根拼上去的，一共6000多根索，2000多个接引盘，上万个关节轴承。

工人们天天都吊在空中，无论风吹日晒，酷暑寒冬。期间还装错过，复查时发现16根装错，只能全拆了重新装。过程还是蛮艰难的，但最后还是成功了，右下角是我们完成时的合照。

反射面的安装也一样特殊。从拼装场地吊起来到空中，放在一个车上，在滑梁上走，然后放在篮索吊上，顺着篮索溜到反射面相对应的位置。和装钢索一样，底下有好几个工人等待，高度从4米到几十米，就这样一个个地将4450块反射面单元安装完毕。

还要说一下反射面的测量方案。要实现抛面、球面来回变形的精准控制，我们首先要进行测量。全站仪既可以测角，也可以测距，得到的信息就可以用来测算它的空间位置。

全站仪是红外的，夜间用照相机对它进行长时间曝光，就可以得出这样的像，看上去非常高科技。如果用的是手机，打开闪光灯照相，就会发现所有的靶标都在对你打招呼。

知道了精确位置，就可以用触动器控制它的节点位置。触动器就是图中黄色的设备，采用的是液压系统，比人高一点，就可以在±1米的范围内控制索网形状。

平行光打到抛物面之后，会汇集到一点，要有一个接收装置收集电磁波信号，这就是馈源舱，我们把它誉为望远镜的“瞳孔”。馈源舱有30吨重，体积相对较小，不仅可以减少光路遮挡，波速还非常干净，可以减少其他信号干扰。

馈源舱是两级控制的。第一级通过6根钢索把馈源舱吊到140米的高空，每根钢索大概四五百米长，精度要控制在48毫米内。

在馈源舱中还有个斯特瓦平台，就是二级控制。在空中风一吹，馈源舱难免会晃动，所以要有一个平台把接收机稳定住，保证能够精确地收到信号，这就实现了二次精准定位，把精度控制在10毫米内，听着都挺玄乎的。

我们还是挺幸运的，在8月17号，我们第一次实现了望远镜馈源支持系统的整体联调，把精度控制在了5.4毫米内，位姿也控制在了0.3度内。

▲ 左：2017年6月的观测 （3C286）高频波束有分叉结构右：2017年8月的观测（3C286）

通过不断地努力，我们把望远镜视网膜调整得更好，把瞳孔位置控制得更精准，让天眼的“视力”从左侧的模糊到右侧的正常。

随后我们对望远镜进行整体验调，以实现对固定目标的跟踪，天眼的“眼珠”终于可以转动了，具有里程碑意义。

二、山里的这群善良的人们

完成这件事后，我给总工南仁东发了一条微信。

我告诉他，我们这个项目做成了。当时他身体已经很不好了，但还是非常欣慰。这是我们最后一次微信交流。

这是2016年9月25日，在落成仪式现场我们的最后一张照片。当时我站在不起眼的角落里，心里还有点不平衡。

我说我要拍一张更好的，把他们都变成背景，我算是得逞了！

其实这个望远镜具有超高的灵敏度和大覆盖天区，将有机会在灵敏度方面站在世界的至高点。它可以观测脉冲星这个宇宙最精确的灯塔，探测极端物理条件下基本的物理规律，还能探测到137亿光年前的宇宙。同时，也能主导国际VLBI网，实现高分辨率、高灵敏度的观测，把我国的探测和通讯能力延伸到太阳系的边缘。

如果你问我这个望远镜有多贵，其实它只是相当于一公里地铁的造价。

还有人问我，这件事到底值不值得做，我想我们每个人心里都有答案，对于我来说是非常值得的一件事。

我是非常欢迎大家去现场转一转的，它是一个“科学的风景”。如果运气够好，第二天爬起来到山顶，就可以看到雾中的FAST，非常美丽。

如果晚上去的话，可以看到非常美的星空。我想对大多生活在都市的人来讲，这已经是非常奢侈的一件事了，但在那里十分常见。

如果还够幸运，还可以看到各种奇怪的生物。这是后来我们制作的标本。

当然，我们还会看到这些善良的人，很孤独，经常以宠物为伴。如果有美女到我们FAST现场去参观的话，我非常希望你把他也带走，这还有他的电话！

回到主题，坦诚地说，FAST还有许多问题要解决，比如正常调试仍然很难，我们没有历史经验可以借鉴。它非常特殊，和其他天文望远镜的功能模式都不太一样，而且它有大量的功能部件和机械装置，我们必须要努力工作，进一步降低故障对望远镜观测的影响，保证随时想看就能看，想看什么就能看什么，不让风雨雾等天气影响全天的观测时长。

这些事都非常繁琐，幸好我们山里还有一群年轻人在茁壮生长，包括刚才单身的同志。所以我们都是在一步步地把望远镜调试好，争取在未来两年给中国的天文界一张满意的答卷！

好，谢谢大家！

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