今天下午，由中國主導(dǎo)研制的國際大科學(xué)工程SKA(平方公里陣列射電望遠鏡，簡稱SKA)首臺天線將在石家莊出廠，這將是一個世界矚目的時刻。在中國電子科技集團公司第五十四研究所(簡稱中國電科54所)工程現(xiàn)場，將有來自10余個國家的天文和工程技術(shù)專家、SKA天線工作包聯(lián)盟參與國大使及科技參贊，SKA組織、科技部、中科院、國家自然科學(xué)基金委、SKA中國辦、中國電科、省科技廳等單位有關(guān)專家和領(lǐng)導(dǎo)，以及國內(nèi)外眾多媒體共同見證這一國際科學(xué)盛事。
這是繼2015年12月54所提交的新穎天線設(shè)計方案被批準(zhǔn)成為SKA后續(xù)研發(fā)的唯一方案后，又一里程碑事件。將標(biāo)志著中國在SKA核心設(shè)備研發(fā)中發(fā)揮引領(lǐng)和主導(dǎo)作用，在國際大科學(xué)工程中，為世界成功提供“天線解決方案”，標(biāo)志著中國為國際天文領(lǐng)域做出重要貢獻。
SKA天線樣機(資料片)
河北新聞網(wǎng)專訪SKA天線工作包聯(lián)盟主席、中國電科SKA辦公室副主任、54所專家王楓
SKA將顛覆人類對宇宙和基本物理定律的理解
SKA：靜伏在地球荒野探聽宇宙奧秘的“精靈”
SKA始于上世紀(jì)九十年代初，是人類有史以來在建的最大綜合孔徑射電望遠鏡，是多國合作、共同出資的國際大科學(xué)工程。全球約20個國家上百個大學(xué)和科研機構(gòu)的天文學(xué)家和工程師參與項目研發(fā)。
SKA選址在澳大利亞、南非及非洲南部8個國家的無線電寧靜區(qū)域,在約3000公里的廣袤荒野中，將建設(shè)2500面15米口徑反射面天線(Dish)?？梢韵胂螅瑤浊嫣炀€，從中心向外呈旋臂狀延伸，從空中望去，如同靜靜伏在地球表面的一只巨大“海星”，延伸著長長的“觸角”，傾聽來自宇宙最深處的聲音。
SKA之所以命名，是因為組成陣列的射電望遠鏡總接收面積達一平方公里,相當(dāng)于140個足球場大。SKA天線工作包聯(lián)盟主席、中國電科SKA辦公室副主任、54所專家王楓介紹，它的建設(shè)將為現(xiàn)有工程技術(shù)和研發(fā)水平帶來質(zhì)的飛躍，顛覆人類對宇宙和基本物理定律的理解。
王楓說，靈敏度和巡天速度是射電望遠鏡非常重要的兩個指標(biāo)。靈敏度越高，天線“看”得就越遠，探測宇宙的能力就越強;巡天速度越快，天線“掃描”和“觀測”同一天區(qū)的速度就越快，天線的工作效率就越高。SKA將成為地球上最大、最先進的科學(xué)設(shè)施，比目前最大的射電望遠鏡陣列——美國EVLA的靈敏度提高50倍，巡天速度提高10000倍。據(jù)專家估計，建成后的SKA，其性能在本世紀(jì)至少保持30-50年的領(lǐng)先地位。
如此龐大的項目，前無古人，非一國之力可以完成。中國是參與SKA項目的創(chuàng)始國之一。2011年， 7個創(chuàng)始成員國聯(lián)合成立了SKA獨立法人機構(gòu)SKA組織(SKAO)。目前SKAO有10個成員國，總部設(shè)在英國，尚有多個國家正在申請成為成員國。
SKA大作用：開啟人類探測宇宙的新紀(jì)元
SKA橫跨兩個大陸，其最長基線距離是3000公里，基線越大，望遠鏡的分辨率越高，觀測就越精細，“繪制”的宇宙“圖景”也更有價值，更讓人期待。
專家認為，SKA將為人類認識宇宙提供重要機遇，開啟人類探測宇宙的新紀(jì)元。它寄予著人類了解宇宙和生命奧秘的使命，將致力于揭示全球各國和人類共同關(guān)心的一些基本問題。“它將探測宇宙、星系的起源和演化，尋找更多的星系，探尋孕育生命的新?lián)u籃、搜索外星生命等”，54所SKA反射面天線總設(shè)計師杜彪說，“它還將致力于揭示和回答關(guān)于‘基本力’問題。比如，檢驗愛因斯坦的廣義相對論正確與否;探尋宇宙磁場從哪里來，怎么演化的。”
科學(xué)家認為，通過對SKA相關(guān)科學(xué)目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)的研究，將能促進天文前沿研究和方法創(chuàng)新，大幅提升天文、基礎(chǔ)物理、信息科學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究水平。
從跟跑到領(lǐng)跑：“中國智慧”為世界提供解決方案
54所參與SKA項目，始于2008年澳大利亞SKA探路者項目(ASKAP)。該天線綜合性能遠遠超過用戶期望，受到了澳方的高度贊揚，為54所參與進而主導(dǎo)SKA反射面天線研發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
2013年，SKAO向全球發(fā)布包括基礎(chǔ)建設(shè)在內(nèi)的11個工作包任務(wù)，其中天線工作包是其中最主要、最核心的部分。同年，SKA反射面天線工作包聯(lián)盟(SKADC)成立，承接SKA天線工作包相關(guān)研制工作,成員包括9個國家的20家研究機構(gòu)和大學(xué)。
為更好地發(fā)揮中方優(yōu)勢和作用， SKA中國辦公室應(yīng)運而生，隸屬科技部領(lǐng)導(dǎo)。由54所和國家天文臺共同組建的射電天文技術(shù)聯(lián)合實驗室(JLRAT)代表中國參與SKA反射面天線的設(shè)計研發(fā)。
據(jù)悉，SKA反射面天線經(jīng)歷了從概念天線樣機、初步設(shè)計方案、詳細設(shè)計方案、首臺樣機等幾個研發(fā)階段，中國的地位和作用隨之日益提升。
“研制概念天線，是為了驗證SKA反射面天線的概念設(shè)計是否可行。”杜彪說。2014年8月17日，54所研制的SKA中國驗證天線(DVA-C)成功落成。15×18米的橢圓形反射面，采用碳纖維復(fù)合材料整體成型，中國成為世界上僅有的兩個掌握該技術(shù)的國家之一。“該天線面型精度0.8毫米，研制用時僅10個月，達到世界領(lǐng)先水平。”SKAO總干事Philip Diamond在現(xiàn)場視察時給予高度評價，盛贊其體現(xiàn)了“中國速度”。
中國驗證天線的成功，為中國參與SKA天線初步設(shè)計方案的競爭奠定了堅實的基礎(chǔ)。2015年11月，SKA天線工作包聯(lián)盟在加拿大召開國際專家評審會，54所提交的SKA天線初步設(shè)計方案，因其性能、技術(shù)成熟度、工程可實施性和成本等方面的顯著優(yōu)勢，在激烈的競爭中脫穎而出，被推薦為后續(xù)唯一研發(fā)方案。隨后，該方案由天線工作包聯(lián)盟董事會決議推薦給SKAO，SKAO召集國際專家復(fù)審。最終，SKAO正式宣布其為SKA后續(xù)研發(fā)的唯一設(shè)計方案，標(biāo)志著中國開始在SKA天線研發(fā)中發(fā)揮引領(lǐng)作用，從此，在SKA國際大科學(xué)工程中，中國從跟跑進入領(lǐng)跑，開始為世界提供“天線解決方案”。
再接再厲：研制SKA首臺天線，中國首次牽頭SKA工作包聯(lián)盟工作
在初步設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，54所技術(shù)人員歷時一年，突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，完成了詳細設(shè)計工作。2016年12月,54所提交的SKA天線詳細設(shè)計方案在7個國家30多位專家和代表的國際評審下，在對700多個技術(shù)及管理問題進行逐條答辯后，順利通過評審，由此進入天線樣機制造階段。
“SKA首臺天線啟動是SKA項目具有里程碑意義的重要事件”，54所所長張桂華介紹。綜合考慮天線性能和成本，通過千百次的建模計算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、仿真測試、工藝試驗，SKA首臺天線完全能夠滿足SKA的要求，該天線具備了高性能、輕量化、低功耗、低成本、易安裝、易測試、日常維護簡便、使用壽命長、易批量生產(chǎn)和運輸?shù)奶攸c。“(其)成功研制，體現(xiàn)了中國在天線領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢、智慧和能力”。
張桂華指出，由于中國在SKA反射面天線中的突出貢獻，2017年10月，在多個國家的激烈競爭博弈中，在科技部和SKA中國辦的積極推動和大力支持下，射電天文技術(shù)聯(lián)合實驗室成為SKA天線工作包聯(lián)盟的牽頭單位，王楓成為聯(lián)盟的新主席。中國電科總經(jīng)理劉烈宏說，“這是中國第一次正式牽頭SKA工作包聯(lián)盟工作，全面領(lǐng)導(dǎo)SKA工程核心設(shè)備研發(fā)。從參與到領(lǐng)導(dǎo)，體現(xiàn)了中國在射電天文領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和突破，也為中國今后發(fā)起組織新的國際大科學(xué)計劃和大科學(xué)工程積累了豐富經(jīng)驗。”
千呼萬喚始出來：SKA首個仰望星空、機敏靈活的“大耳朵”，綜合性能全球領(lǐng)先
SKA-P是54所主導(dǎo)研制的SKA首臺樣機。來自世界各地的上百名專家、學(xué)者見證了它的誕生。一聲“啟動”，10米高的底座上，反射體緩緩轉(zhuǎn)動，猶如一只機敏靈活的“大耳朵”，俯仰之間，從15°到90°，緩緩掃過天際;水平轉(zhuǎn)動，左右270°，從容巡視天空。
自2013年始，無數(shù)次的探討與研究，數(shù)度激烈的研討與競爭，反復(fù)的試驗與仿真，最終成就了這只包含眾多科學(xué)家期望與54所技術(shù)人員心血的“耳朵”。
這是一只“精密”的“耳朵”。它包含主副兩個反射面，主反射面是一個15×20米的長六邊形，面積達235平方米，超過半個籃球場大。主反射面由66塊曲率各不相同、邊長約3米的三角型面板拼裝而成。54所團隊開展了數(shù)百次的系列試驗研究，歷經(jīng)30余次工藝試驗，最終完美實現(xiàn)了單塊三角型面板0.1毫米的精度。
這是一只靈敏的“耳朵”。在重力、溫度和風(fēng)載荷影響下，在其俯仰工作范圍內(nèi)，主反射面的精度達到0.5毫米，副反射面精度達0.2毫米。反射面的精度直接影響天線的靈敏度，SKA-P的工作頻率為0.3-20GHz。54所SKA天線總設(shè)計師杜彪說，“SKA-P的綜合性價比超過了目前所有同類天線”。同時，它采用高電磁屏蔽天線座架設(shè)計，實現(xiàn)了160dB的高電磁屏蔽指標(biāo)。如果把天線的靈敏度比作“傾聽的能力”，那么，高電磁屏蔽則是為這只“耳朵”傾聽宇宙聲音屏蔽掉電子設(shè)備輻射的電磁信號，讓天線更加專注于宇宙目標(biāo)。
這是一只強大的“耳朵”。它采用了全數(shù)字高精度伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)、高精度座架和天線結(jié)構(gòu)的保型設(shè)計，實現(xiàn)了千分之三度的高指向精度，當(dāng)接收到觀測指令時，它能精確地指向待測目標(biāo)。同時，分布在3000公里范圍的幾千面天線要同步對準(zhǔn)同一觀測目標(biāo)，并持續(xù)同步跟蹤觀測，實現(xiàn)最大的接收效率，SKA-P在設(shè)計制造中實現(xiàn)了“步調(diào)一致聽指揮”的“高指向一致性”。
SKA為中國帶來的影響：作為成員國，有望獲得一定觀測時間
首臺天線啟動，標(biāo)志著SKA工程即將進入建設(shè)階段。據(jù)王楓介紹，SKA建設(shè)將分為兩個階段：SKA1和SKA2，SKA1建設(shè)階段項目總投入約6.74億歐元，預(yù)計在三年左右建成130臺天線，該階段為試觀測階段，為SKA2大批量生產(chǎn)奠定工程技術(shù)、經(jīng)費和科學(xué)觀測基礎(chǔ)。
目前，SKA各成員國正在協(xié)商出臺SKA天文臺公約。據(jù)了解，SKA1建成后，各成員國可以按照出資情況和貢獻度按比例獲得一定的觀測時間，可以共享SKA獲得的各項原始數(shù)據(jù)。“SKA‘看’得更遠，‘看’得更清楚，必定會發(fā)現(xiàn)更多的天外星系，為人類帶來很多意想不到的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，一定會極大地推動我國天文、物理及信息技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的研究水平，提高我國在國際上的影響力和地位。”杜彪說。
可以預(yù)見，“中國設(shè)計”和“中國制造”將閃耀著“中國智慧”、“中國精神”，領(lǐng)跑SKA天線研制，為人類觀測宇宙做出中國貢獻。
