“天眼”工程裏的中國創造

新華社北京9月25日電 被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡，是具有我國自主知識産權、最靈敏的射電望遠鏡。它的落成啟用，對我國在科學前沿實現重大原創突破、加快創新驅動發展具有重要意義。

上世紀90年代，科學家們期望，在電波環境徹底被破壞之前，真正看一眼初始的宇宙，弄清宇宙結構的形成演化，推動相關科學研究的突破，只有大射電望遠鏡才能幫助人類實現這一夢想。

在這一背景下，中國天文學家1994年提出利用貴州的喀斯特洼地建造大射電望遠鏡，形成了中國“天眼”的最初設想。

從預研究到建成歷時22年，我國老中青三代科技工作者克服了關鍵技術無先例可循、關鍵材料急需攻關、核心技術遭遇封鎖等困難，在射電望遠鏡口徑、靈敏度、分辨率、巡星速度等關鍵指標上全面超越國際先進水平。

“20多年前的國家實力和工業技術很難支撐這麼大的望遠鏡項目。今天我們不僅做到世界第一大口徑，獨創主動反射面技術，還推動了天線製造、微波電子、並聯機器人、大跨度結構等相關技術的發展。”從預研究就開始參與這一工程的500米口徑球面射電望遠鏡工程副經理彭勃説。

2010年8月，在“天眼”工程開工前夕，團隊接到哈爾濱工業大學傳來消息，前期做的所有索網實驗全都失敗了。“國內頂級的應用於斜拉橋上的鋼索，標準強度是200兆帕、抗200萬次彎曲，用在‘天眼’實驗上都斷了。”饋源支撐系統總工程師孫才紅説，按設計要求，‘天眼’需要強度為500兆帕、抗200萬次彎曲的鋼索，這意味著把材料工藝提高到國標的2.5倍。

當時負責索網疲勞問題的是剛到天文臺工作不久的博士生薑鵬，他立下“軍令狀”，經過一年半的艱苦技術攻關，完成了索網變位策略優化及疲勞性能評估工作，降低了索網的變位應力幅，與柳州歐維姆機械股份有限公司合作研製，最終生産出滿足要求的鋼索。

美國阿雷西博望遠鏡的饋源平臺重達1000噸，幾乎等於用固定軌道把平臺架設在半空，這樣的設計有利於饋源的定位，卻縮小了觀測角度。

國家天文臺副臺長鄭曉年説，中國“天眼”採取了輕型索支撐饋源平臺方案，把饋源艙減重到30噸，覆蓋天頂角是美國望遠鏡的兩倍，並通過並聯機器人二級調整，最終在降低建造成本的同時，實現毫米級高精度定位。

但可變形的反射面和可牽引運動的饋源艙又帶來新問題，“天眼”信號傳輸用的光纜要能在5年內抗6.6萬次拉伸、信號衰減小于0.1ｄＢ，而國家標準僅為1000次、0.2ｄＢ，國外相關技術被封鎖。

饋源支撐系統副總工程師潘高峰説，參與研製光纜的是烽火通信科技股份有限公司和北京郵電大學林中教授團隊。當時烽火通信的生産線全部飽和，一條生産線每天産能40千米，每次為生産200米的試驗光纜，來回調整配方工藝要耽誤兩天。光纜試驗一次週期長達數月，林中教授不僅為設計提供大量技術研究，為確保試驗週期不中斷，除夕夜還堅持去實驗室記錄試驗數據。

“經過多次試驗，花費4年時間，最終用在‘天眼’上的動光纜可經受反復彎曲、捲繞和扭轉等機械性能和惡劣自然環境考驗，滿足了設計需求，但項目預算的研製經費只有300萬元。”500米口徑球面射電望遠鏡工程總工藝師王啟明説，還有很多參建企業和科研單位，都首先從社會責任出發支持大科學工程，把經濟效益放在其次。

“天眼”工程是一套複雜的系統工程，除了反射面、饋源艙和接收機等核心繫統，還包括龐雜的綜合佈線工程和數據處理系統。“高靈敏度”、“更多來自宇宙的訊息”也意味著海量數據存儲和複雜的計算要求。

中國“天眼”作為射電天文學界的重要突破，其對數據存儲與計算的需要同樣也是“天文級”的。短期內“天眼”的計算性能需求至少需達到每秒200萬億次以上，存儲容量需求達到10ＰＢ以上。而隨著時間推移和科學任務的深入，其對計算性能和存儲容量的需求將爆炸式增長。

由曙光公司打造的超算中心的接入，就像是給“天眼”連接上了計算“大腦”，將其探測到的未知信息處理成人類可解讀的內容。

據曙光公司總裁歷軍透露，超算系統全部建成後，將以更高效能的數據存儲、分發、計算和分析全力支撐“天眼”高靈敏度、高性能的天文觀測。

中科院國家天文臺臺長嚴俊説，中國“天眼”的研製和建設，體現了我國自主創新能力，由最初不到5人的研究小組發展到上百人的團隊，工程建設凝聚了國內100多家單位的力量，實現了我國大科學工程由跟蹤模倣到集成創新的跨越，將為我國射電天文多個研究領域和自然科學相關領域提供重大發現的機會。（記者 齊健 王麗 駱飛 白國龍）