54所主导研制的SKA首台天线启动
54所主导研制的SKA首台天线启动
世界瞩目 综合性能全球领先 标志着中国为国际天文做出重要贡献
SKA首台天线启动。
“用世界上最大的天线阵列射电望远镜探索宇宙。”2月6日下午，在石家庄鹿泉区的中国电科54所工程现场，由中国主导研制的国际大科学工程SKA（平方公里阵列射电望远镜，简称SKA）首台天线启动，世界瞩目。这标志着中国在SKA核心设备研发中发挥引领和主导作用，在国际大科学工程中，为世界成功提供“天线解决方案”，标志着中国为国际天文领域做出重要贡献。
SKA首个仰望星空的“大耳朵”综合性能全球领先
SKA-P是54所主导研制的SKA首台样机。来自世界各地的上百名专家、学者见证了它的诞生。一声“启动”，10米高的底座上，反射体缓缓转动，犹如一只机敏灵活的“大耳朵”，俯仰之间，从15°到90°，缓缓扫过天际；水平转动，左右270°，从容巡视天空。
自2013年始，无数次的探讨与研究，数度激烈的研讨与竞争，反复的试验与仿真，最终成就了这只包含众多科学家期望与54所技术人员心血的“耳朵”。
这是一只精密的“耳朵”。它包含主副两个反射面，主反射面是一个15×20米的长六边形，面积达235平方米，超过半个篮球场大。主反射面由66块曲率各不相同、边长约3米的三角形面板拼装而成。54所团队开展了数百次的系列试验研究，历经30余次试验，最终完美实现了单块三角形面板0.1毫米的精度。
这是一只灵敏的“耳朵”。在重力、温度和风载荷影响下，在其俯仰工作范围内，主反射面的精度达到0.5毫米，副反射面精度达0.2毫米。反射面的精度直接影响天线的灵敏度，SKA-P的工作频率为0.3-20GHz。54所SKA天线总设计师杜彪说，“SKA-P的综合性价比超过了目前所有同类天线”。同时，它采用高电磁屏蔽天线座架设计，实现了160dB的高电磁屏蔽指标。如果把天线的灵敏度比作“倾听的能力”，那么，高电磁屏蔽则是为这只“耳朵”倾听宇宙声音屏蔽掉电子设备辐射的电磁信号，让天线更加专注于宇宙目标。
这是一只强大的“耳朵”。它采用了全数字高精度伺服驱动控制系统、高精度座架和天线结构的保型设计，实现了千分之三度的高指向精度，当接收到观测指令时，它能精确地指向待测目标。同时，分布在3000公里范围的几千面天线要同步对准同一观测目标，并持续同步跟踪观测，实现最大的接收效率，SKA-P在设计制造中实现了“步调一致听指挥”的“高指向一致性”。
SKA：静伏在地球荒野探听宇宙奥秘的“精灵”
一片雪花掉落地面时产生的能量，超过了迄今为止射电天文领域接收到的所有能量。如何拾取这些微弱的信号，SKA正是为回答这些具体问题而设计的一个望远镜。
SKA始于上世纪九十年代初，是人类有史以来在建的最大综合孔径射电望远镜，是多国合作、共同出资的国际大科学工程。全球约20个国家上百个大学和科研机构的天文学家和工程师参与项目研发。
SKA选址在澳大利亚、南非及非洲南部8个国家的无线电宁静区域，在约3000公里的广袤荒野中，将建设2500面15米口径反射面天线（Dish）。可以想象，几千面天线，从中心向外呈旋臂状延伸，从空中望去，如同静静伏在地球表面的一只巨大“海星”，延伸着长长的“触角”，倾听来自宇宙最深处的声音。
SKA天线工作包联盟主席、中国电科SKA办公室副主任、54所专家王枫介绍，它的建设将为现有工程技术和研发水平带来质的飞跃，颠覆人类对宇宙和基本物理定律的理解。
王枫说，灵敏度和巡天速度是射电望远镜非常重要的两个指标。灵敏度越高，天线“看”得就越远，探测宇宙的能力就越强；巡天速度越快，天线“扫描”和“观测”同一天区的速度就越快，天线的工作效率就越高。SKA将成为地球上最大、最先进的科学设施，比目前最大的射电望远镜阵列——美国EVLA的灵敏度提高50倍，巡天速度提高10000倍。据专家估计，建成后的SKA，其性能在本世纪至少保持30-50年的领先地位。
如此庞大的项目，前无古人，非一国之力可以完成。中国是参与SKA项目的创始国之一。2011年，7个创始成员国联合成立了SKA独立法人机构SKA组织（SKAO）。目前SKAO有10个成员国，总部设在英国，尚有多个国家正在申请成为成员国。
SKA大作用：开启人类探测宇宙的新纪元
SKA横跨两个大陆，其最长基线距离是3000公里，基线越大，望远镜的分辨率越高，观测就越精细，“绘制”的宇宙“图景”也更有价值，更让人期待。
专家认为，SKA将为人类认识宇宙提供重要机遇，开启人类探测宇宙的新纪元。它负担着人类了解宇宙和生命奥秘的使命，将致力于揭示全球各国和人类共同关心的一些基本问题。“它将探测宇宙、星系的起源和演化，寻找更多的星系，探寻孕育生命的新摇篮、搜索外星生命等。”54所SKA反射面天线总设计师杜彪说，“它还将致力于揭示和回答关于‘基本力’问题。比如，检验爱因斯坦的广义相对论正确与否；探寻宇宙磁场从哪里来，怎么演化的。”
从跟跑到领跑：“中国智慧”为世界提供解决方案
54所参与SKA项目，始于2008年澳大利亚SKA探路者项目（ASKAP）。该天线综合性能远远超过用户期望，受到了澳方的高度赞扬，为54所参与进而主导SKA反射面天线研发奠定了坚实的基础。
2013年，SKAO向全球发布包括基础建设在内的11个工作包任务，天线工作包是其中最主要、最核心的部分。同年，SKA反射面天线工作包联盟（SKADC）成立，承接SKA天线工作包相关研制工作，成员包括9个国家的20家研究机构和大学。
为更好地发挥中方优势和作用，SKA中国办公室应运而生，隶属科技部领导。由54所和国家天文台共同组建的射电天文技术联合实验室（JLRAT）代表中国参与SKA反射面天线的设计研发。
据悉，SKA反射面天线经历了从概念天线样机、初步设计方案、详细设计方案、首台样机等几个研发阶段，中国的地位和作用随之日益提升。
“研制概念天线，是为了验证SKA反射面天线的概念设计是否可行。”杜彪说。2014年8月17日，54所研制的SKA中国验证天线（DVA-C）成功落成。15×18米的椭圆形反射面，采用碳纤维复合材料整体成型，中国成为世界上仅有的两个掌握该技术的国家之一。“该天线面型精度0.8毫米，研制用时仅10个月，达到世界领先水平。”SKAO总干事Philip Diamond在现场视察时给予高度评价，盛赞其体现了“中国速度”。
最终，SKAO正式宣布其为SKA后续研发的唯一设计方案，标志着中国开始在SKA天线研发中发挥引领作用，从此，在SKA国际大科学工程中，中国从跟跑变为领跑，开始为世界提供“天线解决方案”。
再接再厉：中国首次牵头SKA工作包联盟工作
在初步设计方案的基础上，54所技术人员历时一年，突破了多项关键技术，完成了详细设计工作。2016年12月，54所提交的SKA天线详细设计方案在7个国家30多位专家和代表的国际评审下，在对700多个技术及管理问题进行逐条答辩后，顺利通过评审，由此进入天线样机制造阶段。
“SKA首台天线启动是SKA项目具有里程碑意义的重要事件。”54所所长张桂华介绍。综合考虑天线性能和成本，通过千百次的建模计算、结构优化、仿真测试、工艺试验，SKA首台天线完全能够满足SKA的要求，该天线具备了高性能、轻量化、低功耗、低成本、易安装、易测试、日常维护简便、使用寿命长、易批量生产和运输的特点。“（其）成功研制，体现了中国在天线领域的技术优势、智慧和能力。”
SKA为中国带来的影响：有望获得一定观测时间
首台天线启动，标志着SKA工程即将进入建设阶段。据王枫介绍，SKA建设将分为两个阶段：SKA1和SKA2，SKA1建设阶段项目总投入约6.74亿欧元，预计在三年左右建成130台天线，该阶段为试观测阶段，为SKA2大批量生产奠定工程技术、经费和科学观测基础。
目前，SKA各成员国正在协商出台SKA天文台公约。据了解，SKA1建成后，各成员国可以按照出资情况和贡献度按比例获得一定的观测时间，可以共享SKA获得的各项原始数据。“SKA‘看’得更远，‘看’得更清楚，必定会发现更多的天外星系，为人类带来很多意想不到的科学发现，一定会极大地推动我国天文、物理及信息技术等相关领域的研究水平，提高我国在国际上的影响力和地位。”杜彪说。
可以预见，“中国设计”和“中国制造”将闪耀着“中国智慧”“中国精神”，领跑SKA天线研制，为人类观测宇宙做出中国贡献。（文/图记者冯月静 通讯员庄芳）
责任编辑：李瑾