國際大科學(xué)工程SKA中方實(shí)物貢獻(xiàn)的首批中頻天線結(jié)構(gòu)從石家莊出廠發(fā)運(yùn) 用“最強(qiáng)大腦”織就靈動(dòng)“觀天神眼”

　　SKA中頻天線

　　7月31日，中方向平方公里陣列天文臺(tái)（SKAO）實(shí)物貢獻(xiàn)的首批平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）中頻天線結(jié)構(gòu)在石家莊中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院完成出廠驗(yàn)收?？萍疾俊⒑颖笔∪嗣裾?、中國電子科技集團(tuán)相關(guān)負(fù)責(zé)人、射電天文領(lǐng)域有關(guān)專家現(xiàn)場督導(dǎo)檢查中頻天線結(jié)構(gòu)驗(yàn)收工作并見證天線出廠發(fā)運(yùn)，按質(zhì)按期交付。

　　按照2022年中方與SKAO簽署的實(shí)物貢獻(xiàn)協(xié)議，SKA中頻天線結(jié)構(gòu)任務(wù)由中方團(tuán)隊(duì)牽頭，通過國際大協(xié)作共同研制建設(shè)。這是我國在SKA中承擔(dān)的首個(gè)、也是SKAO目前最大的單筆實(shí)物貢獻(xiàn)任務(wù)。據(jù)悉，中方實(shí)物貢獻(xiàn)的首批SKA中頻天線結(jié)構(gòu)出廠發(fā)運(yùn)后，將抵達(dá)南非卡魯?shù)貐^(qū)，在SKA中頻天線臺(tái)址進(jìn)行現(xiàn)場組裝測試。后續(xù)，SKA中頻天線結(jié)構(gòu)將進(jìn)入批量生產(chǎn)建設(shè)階段，中國制造的SKA中頻天線將矗立在南非大地，“聆聽”來自宇宙的聲音。

　　共建：人類認(rèn)知宇宙的前所未有的國際大科學(xué)合作

　　SKA始于上世紀(jì)九十年代初，是有史以來在建的最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，是多國合作、共同出資的國際大科學(xué)工程。全球約20個(gè)國家上百個(gè)大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的天文學(xué)家和工程師參與項(xiàng)目研發(fā)。SKA組陣后，總接收面積將達(dá)到一平方公里，相當(dāng)于140個(gè)足球場大。SKA是人類認(rèn)知宇宙的一次前所未有的大科學(xué)合作。

　　“建成后的SKA將為人類認(rèn)識(shí)宇宙提供重要機(jī)遇，將在探索星系的起源與演化等領(lǐng)域作出重要貢獻(xiàn)。作為劃時(shí)代的射電望遠(yuǎn)鏡，SKA在尖端技術(shù)的支持下，有望對(duì)社會(huì)、科學(xué)及其他領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響?！盨KA中頻天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王大為表示。

　　SKA是科技部代表中國政府參與的一項(xiàng)重要國際大科學(xué)工程?！白鳛橹蓄l天線結(jié)構(gòu)任務(wù)的一級(jí)承包方，我們負(fù)責(zé)64臺(tái)SKA中頻天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、集成和調(diào)試等任務(wù)。”中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院黨委書記徐小剛介紹，“能參與這樣的國際大科學(xué)工程，為SKA貢獻(xiàn)中國智慧和中國方案，既倍感榮幸又責(zé)任重大?！?/p>

　　創(chuàng)新：關(guān)鍵指標(biāo)上將取得巨大進(jìn)步

　　分辨率、靈敏度和巡天速度是射電望遠(yuǎn)鏡的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。靈敏度意味著宇宙中極其微弱的信號(hào)能不能被“看到”，分辨率意味著這些微弱信號(hào)能否被“看得清楚”，巡天速度則意味著對(duì)天區(qū)的觀測效率。

　　SKA中頻天線陣列與現(xiàn)有工作頻段相同的最先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡相比，在關(guān)鍵指標(biāo)上將取得巨大進(jìn)步?！盀橥黄铺炀€高靈敏度、低波束變形等世界性技術(shù)難題，我們針對(duì)SKA中頻天線——雙偏置格里高利天線開展了天線高靈敏度和高波束穩(wěn)定度光學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)保型優(yōu)化設(shè)計(jì)、高精度建模和仿真分析、高精度裝配測量和調(diào)試方法等一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。”SKA中頻天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師杜彪說。

　　矯正：讓天線進(jìn)化出“火眼金睛”

　　“從零開始”是SKA伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)師張一凡的真實(shí)寫照。影響SKA“視力”是否精準(zhǔn)的指標(biāo)之一，便是SKA指向精度，而滿足這項(xiàng)指標(biāo)是前所未有的技術(shù)難題，這對(duì)他來說也是新標(biāo)準(zhǔn)、新挑戰(zhàn)。SKA指向精度需要通過動(dòng)態(tài)標(biāo)校來驗(yàn)證，張一凡要做的便是將已有的技術(shù)靜態(tài)標(biāo)校變?yōu)閯?dòng)態(tài)標(biāo)校?！拔覀儾粌H面臨技術(shù)難題，還有時(shí)間要求，從方案構(gòu)思到方案定版，只有一個(gè)多月的時(shí)間?！壁に伎嘞?、廢寢忘食是他那時(shí)的常態(tài)。

　　他與指向精度較真、死磕，埋身于國內(nèi)外資料，寫方案、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果、更新方案，如此循環(huán)往復(fù)，“滿足指標(biāo)要求了！”天線的總盲指誤差分布圓的直徑從指標(biāo)要求的36角秒達(dá)到了33角秒，張一凡不僅滿足了既定指標(biāo)要求，甚至還超越了標(biāo)準(zhǔn)。那一刻，喜悅爬上了他的面頰，因?yàn)樗烂恳淮蔚闹笜?biāo)靠近，都意味著宇宙中極其微弱的信號(hào)能夠被“看得更準(zhǔn)”。

　　匠心：另辟蹊徑完成“拼圖”

　　天線能夠看得更準(zhǔn)的底氣，不僅是通過軟件的保障，還有來自天線結(jié)構(gòu)提供的“安全感”。SKA天線結(jié)構(gòu)安裝實(shí)施負(fù)責(zé)人李鵬，平日的“拼圖游戲”之一，便是完成SKA天線中支撐天線反射面板的骨架結(jié)構(gòu)的安裝。而這，卻是一場考驗(yàn)?zāi)托?、?xì)心和責(zé)任心的“高難度游戲”。

　　“為了在運(yùn)動(dòng)中克服重力和風(fēng)的作用，保持骨架形狀精度，每一根拉桿的位置和尺寸都經(jīng)過了優(yōu)化設(shè)計(jì)，每個(gè)球節(jié)點(diǎn)的形狀和位置是獨(dú)一無二的”?！坝螒颉蹦繕?biāo)是最終確保骨架結(jié)構(gòu)所支撐的面板精度穩(wěn)定，數(shù)據(jù)精確。游戲內(nèi)容是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)拼接好天線背部骨架的300多根拉桿、100多個(gè)螺栓球。每根拉桿通過螺栓球連接，每個(gè)球上一般都有7-8個(gè)的孔，多的有12個(gè)孔，每個(gè)孔都分別用來連接一根拉桿?！白鲞@件事的時(shí)候，一定要負(fù)責(zé)，細(xì)心！負(fù)責(zé)，細(xì)心！”團(tuán)隊(duì)一開始的拼接方案是由單人按順序先后將一根根拉桿拼裝成一個(gè)個(gè)整體組件，再將組件們拼裝成完整的天線骨架結(jié)構(gòu)?？蓽y試結(jié)果卻不盡如人意，面板精度不完全穩(wěn)定。可一切都是按照方案拼裝的，到底是哪里出了問題？眼看距離交付節(jié)點(diǎn)越來越近，李鵬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將一個(gè)個(gè)拉桿拆卸下來，在以往結(jié)構(gòu)安裝經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新了安裝方法：先把桿的一頭擰上螺栓球，使用特定工具增加一定力矩以保持螺栓平衡，再將其他拉桿擺在預(yù)設(shè)位置，幾個(gè)人同時(shí)擰上螺栓球，增加相同力矩，保證每一個(gè)拉桿的力矩精準(zhǔn)到位，如此動(dòng)作反復(fù)，直至拼裝成一整個(gè)骨架結(jié)構(gòu)，再由吊車完成吊裝。“面板精度穩(wěn)定”，勝利的聲音縈繞在李鵬的耳畔。

　　迭代：先進(jìn)算法繪制高精度結(jié)構(gòu)

　　“天線結(jié)構(gòu)作為SKA的關(guān)鍵組成部分，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)格，需滿足高精度、大尺寸等要求。在我國，此前尚無方案能夠完全達(dá)到這些高標(biāo)準(zhǔn)。”SKA力學(xué)仿真分系統(tǒng)負(fù)責(zé)人楊豐福說。在研發(fā)過程中，概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)以及工程驗(yàn)證等多個(gè)階段都能看到楊豐福的身影。一開始，按照“常規(guī)操作”得出的仿真設(shè)計(jì)并不能滿足指標(biāo)要求，項(xiàng)目進(jìn)入瓶頸之時(shí)，他決定重新設(shè)計(jì)，巧妙地融入了拓?fù)鋬?yōu)化的先進(jìn)算法。在接下來的2至3周的時(shí)間里，他忘記了時(shí)間，幾近瘋狂地計(jì)算、優(yōu)化。每一次細(xì)微調(diào)整的背后，都得益于楊豐福的頭腦風(fēng)暴，這邊查閱資料，那邊即刻開始付諸實(shí)踐，經(jīng)過成百上千次的細(xì)微調(diào)整和迭代，終于，在很平常的一天，很日常的一次嘗試后，他電腦上的數(shù)據(jù)從“無解”變?yōu)椤坝薪狻??！霸瓉?，獲得正解只需要一瞬間！”楊豐福說，一個(gè)成功的瞬間是由無數(shù)個(gè)潛心鉆研的日日夜夜組成的。

　　記者王立鵬 通訊員李燕茹