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    【光明日報】全球最大射電天文望遠鏡陣列首臺中頻天線正式吊裝
    來源:新聞中心
    發布時間:2023年09月21日 編輯:新聞中心

      9月20日,中國參與研制的國際大科學工程平方公里陣列射電望遠鏡項目(以下簡稱SKA項目)中頻天線結構進入建設階段后的首臺天線,在中國電科網絡通信研究院測試現場正式吊裝。這是SKA進入建設階段以來建成的首臺天線,標志著中國在SKA核心設備研發中發揮引領和主導作用,在國際大科學工程中成功提供“天線解決方案”。

      “中國電科網絡通信研究院作為SKA天線結構工作包聯盟的牽頭單位,聯合團隊內部來自南非、意大利等國的科研及工業機構,將共同完成SKA天線結構工作包天線的建設任務?!敝袊娍凭W絡通信研究院總監馬英昌介紹說。

     “地球巨眼”:洞悉宇宙奧秘

           國際大科學工程平方公里陣列射電望遠鏡(Square Kilometre Array,SKA)始于上世紀九十年代初,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工程。全球約20個國家上百個大學和科研機構的天文學家和工程師參與項目研發。它之所以命名,是因為組成陣列的射電望遠鏡總接收面積達一平方公里,相當于140個足球場大。

          SKA的臺址位于澳大利亞、南非及非洲南部8國,在約3000公里的廣袤荒野中,將建設約3000面天線,組成一平方公里之大的“地球巨眼”,它靜伏于地球表面,觀測宇宙深處最神秘的聲音。SKA天文臺宣傳外聯部主任William Garnier介紹說,SKA作為人類史上建造規模最大的射電望遠鏡,建成后將成為地球上最大、最先進的科學設施,比目前最大的射電望遠鏡陣列靈敏度提高50倍,巡天速度提高10000倍。

           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心的一些基本問題,如將探測宇宙、星系的起源和演化,尋找更多的星系,探尋孕育生命的新搖籃、搜索外星生命等,它還將致力于揭示和回答關于“基本力”問題。中國電科首席科學家鄭元鵬介紹。

    聽音辨位:匯聚創新“結晶”

           作為人類探尋宇宙樣貌的“地球巨眼”,SKA要獲得對宇宙目標的“精準畫像”,除了得天獨厚的站址條件外,SKA中頻天線更是集多種關鍵技術于一身,是科技人員的“匠心之作”。

           天線要實現準確地“聽音辨位”,就需要具有較高的靈敏度和指向精度,而且還要具備高電磁屏蔽能力,屏蔽電子設備的電磁輻射干擾,讓天線更加專注于宇宙目標。

           “SKA天線在天線效率與波束變形、指向精度、電磁屏蔽與電磁兼容等天線核心關鍵指標上,提出了極高的要求,帶給設計與研發的挑戰是前所未有的。SKA中頻天線結構項目總設計師杜彪說,“為滿足高電磁兼容性和高指向精度的世界性技術難題,我們對伺服控制系統設計、動態仿真、標校、調試、測試方法和測試驗證等一系列關鍵技術開展攻關,完成了高電磁兼容性伺服控制系統的設計、加工和集成工作?!?/p>

           據介紹,SKA中頻天線的伺服控制系統需要滿足比國軍標低約80dB要求的電磁兼容指標,才能實現其高靈敏度觀測。同時,采用全數字高精度伺服驅動控制設計及高精度座架和天線結構的保型設計,實現了千分之三度的高指向精度。當接收到觀測指令時,分布在上千公里范圍的幾千面天線將精確地同步對準同一觀測目標,并持續同步跟蹤觀測,實現最大的接收效率。

           由于SKA中頻天線中心區域陣列建在南非卡魯地區(干旱臺地高原),天線的運輸、集中建設、運行、后期維護等都是技術人員需要重點考慮的問題。

           “針對批量化建設、沙漠環境安裝集成以及使用維護的特點,為了便于運輸與組裝,我們對天線反射體、座架、方位俯仰機構和軸承進行了模塊化設計,各模塊就像一塊塊積木部件一樣易于拆裝。驅動器、電機、減速機等結構被設計為現場可更換單元,在現場隨時可換,無需返場維護更加方便設備維護?!盨KA中頻天線結構項目負責人王大為說。

    精益求精:探尋技術極致

           SKA中頻天線是一臺15米口徑的賦形雙偏置格里高利天線,天線反射體是由主反射體、副反射體、換饋機構以及支臂構成。

           “天線主反射體采用了高精度空間網架結構和三角形鋁合金面板,這樣更易于實現高精度,也便于維護和快速安裝?!盨KA中頻天線結構項目設計師楊晉蓉說。整個天線的主反射面是由66塊不同曲率的鋁合金三角形面板組成的六邊形空間網架結構。這66塊面板的曲率各不相同,所以需要制造66個專用的模具。為了保證精度要求,團隊需要在成形時讓面板與模具盡量貼合,經過3個多月的艱難攻關,他們最終摸索出了一種有效的成型工藝,極大優化了面板結構和成形工藝參數,從而實現了大面板的精密成形?!拔覀兊拿姘寰冗_到了0.03—0.1毫米,面形精度優于一百微米,還不及兩根頭發絲的厚度,這代表了國內面板設計與制造的最高水平”。SKA中頻天線結構項目設計師楊晉蓉說。

           高精度要求的背后,是每一個安裝環節的極致精密。中頻天線的背架采取的是空間網架結構,它的特點是易于拆裝,而且整體重量較輕。背架采用螺栓球與拉桿螺連的方式安裝,一面天線上共有100余個螺栓球,300余根拉桿,更考究的是,這100余個螺栓球,上面的螺孔數量不盡相同,最多可達12個,而且每個螺栓球上的各個螺孔角度都是唯一的。

           也就是說,每個螺栓球在15米×18米×3米的網架中的位置是唯一的,每個螺孔裝哪根拉桿也是唯一的。 如此精密的位置要求,有哪怕一顆小米粒大小的誤差,也會裝不上去。為快速、精確完成安裝與拆卸,工藝師們經過幾十次試驗,構建了4個計算模型,反復研究裝配流程,歷經兩個多月才完全掌握最佳安裝方法。SKA中頻天線結構項目工藝師王建永介紹說,“那段時間,腦子里全是螺栓球和螺桿,整天都琢磨,連做夢都想著?!?/p>

           為了找到技術“最優解”,團隊在未知中向前摸索。

           天線底座的內部有一個設備艙,用來安裝望遠鏡所有的電子設備。由于設備運行會產生電磁輻射,為了降低這些輻射對天線的影響,設備艙需要有較強的電磁屏蔽性能?!斑@是一個非常大的挑戰?!彪姶牌帘闻撗兄萍夹g負責人竇玉超說,“這個空間不大,里面容納了非常多的設備??紤]到天線是在沙漠環境中工作,要留通風孔用于散熱,還要留進出電纜的通道,人維護的空間,無論是如何布置空間,還是如何實現電磁屏蔽性能,都是很難完成的任務?!?/p>

           團隊反復論證,結合每臺設備的功率、發熱量等,進行合理布局?!按蟮姆桨刚{整有四五次,微調有幾十次,歷時一年才找到了最優方案?!?/p>

           “SKA中頻天線建設任務,是落實習近平總書記對SKA工作的重要指示精神,高質量推動我國參與SKA履約的一項重要進展?!毙煨傉f,“我們將繼續深化國際交流合作,加強與各方通力配合,為SKA大科學工程建設貢獻中國智慧和中國力量?!?/p>

           作為首倡國之一,中國幾乎見證了SKA發展的全部重要時刻,SKAO宣傳外聯主任WILLIAM Garnier(威廉?加尼爾)在吊裝儀式上表示:“這是對54所(中國電科網絡通信研究院)在復雜無線電系統方面的專業知識的認可,也是對他們在望遠鏡設計階段所做的偉大工作的認可,是你們與其他國家的合作伙伴通力合作,代表天線聯盟出色地完成了設計?!?

      隨著國產裝置、技術和服務走出去,“中國創造”正走向世界??梢灶A見,未來SKA將向國際射電天文界展現更多“中國智慧”,以技術合作為支點,“中國力量”也將為構建人類命運共同體作出自己的貢獻。

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