“天眼”建造，超越以往工程概念
阅读提示：施工地点四面环山，中间凹陷下去。射电望远镜的形状本身就像一口大锅，刚好能稳稳地架在山中，绝对是难度空前的项目。
记者｜姜浩峰
位于贵州平塘的球面射电望远镜，被称为“天眼”，它是全球最大的巨型射电望远镜，亦是全球最大的利用天然地貌建设的巨型望远镜，采用四千多块等边叶片组成反射面；外加轻型索“四两拨千斤”将万吨平台降至几十吨且实现毫米级动态定位。
从1993年中国天文学家倡议建造新一代射电大望远镜，到去贵州选址，选定黔南州平塘县克度镇金科村大窝凼，及至今年7月3日世界最大单口径射电望远镜FAST主体工程完工，时光行过了整整23年。
三百候选地中选出大窝凼
FAST，是“500米口径球面射电望远镜”的英文简称。7月3日，随着FAST工程总经理、国家天文台台长严俊的一声令下，最后一块反射面单元缓缓起吊，在完成了二次空中转接并用缆索吊下滑到指定位置后被顺利安装在索网上。
这最后的一吊，终于使得近30个足球场面积的反射面得以全部铺设完成。反射面工程系FAST最后一个设备工程，其顺利完成，标志着FAST工程主体工程的顺利完工。
从1993年国际无线电联大会上，包括中国在内的10国天文学家提出建造新一代射电大望远镜，到如今FAST工程主体完工，时光整整过去了23年。
缘何会在贵州平塘县的大窝凼建造这一望远镜，而不在距离国家天文台较近的华北地区选址？贵州有何特别之处吗？
早在1994年，中科院国家天文台南仁东教授提出——可选择国内的喀斯特洼地作为望远镜台址。1995年底，国内20余所大学和研究所联合成立了射电大望远镜中国推进委员会，提出了利用贵州喀斯特洼地建造球反射面，即“阿雷西博型天线阵”的喀斯特工程概念。
在FAST之前，世界上最大的射电望远镜是美国的阿雷西博（Arecibo）300米望远镜，位于波多黎各岛，选址已是在喀斯特洼地里了。
喀斯特洼地，又称“溶蚀洼地”。生成于碳酸盐岩地区——由于常年溶蚀作用，形成负地形。比起波多黎各来，中国的喀斯特洼地分布面积更大——中国是世界上喀斯特洼地分布面积最大的国家，从热带到寒带各种喀斯特地貌类型齐全——几乎所有的省区都有喀斯特的分布。当然，中国的喀斯特洼地绝大多数分布于广西、云南、贵州等西南省区。
东南大学土木工程学院郭正兴教授和他的团队于2011年参与到FAST项目中。提及选址，郭正兴认为，贵州的喀斯特地貌中，有很多天然形成的天坑，刚好适合“锅”状的射电望远镜。外加山区人烟稀少，也不受射频信号的干扰。四面环山的地形形成了天然的反射面，屏蔽了众多人为信号的干扰。换言之，贵州天然喀斯特洼坑提供的条件，始终都是中国大射电望远镜最独到、成为世界最大最强的基础。
尽管参与项目的许多专家教授都认为选址贵州很合适，但从1995年开始为期10年的预研究阶段，科学家并没有找出一个准确的地点。
万山重峦，为了给新一代射电大望远镜安家，在大方向明确后，国家天文台委托了两家科研单位平行独立搜寻。“两家单位各自使用遥感设备，从300多个候选洼坑中逐一遴选。最终，两家单位都给了黔南州平塘县的大窝凼以最高评分。”中国科学院国家天文台研究员、500米口径球面射电望远镜工程副总经理彭勃如是说。
回忆起第一次看到望远镜施工地的情景，郭正兴记得自己脱口而出：“乖乖，太大了。”他还表示，施工地点四面环山，中间凹陷下去。射电望远镜的形状本身就像一口大锅，刚好能稳稳地架在山中，绝对是难度空前的项目。
施工难度不仅仅在技术上。郭正兴说：“原本这大坑里还住着几户人家。听说此地的姑娘有的一辈子没有出过这座大山。因为选址附近没有基站，也不允许使用手机，所以在这里工作只好通过固定电话与外界联络。”之所以不安设基站，是因为手机信号远远强于来自遥远宇宙深处的信号。从省会贵阳到平塘县，有一百六七十公里路，车程4小时。确实完完全全是两个世界。在FAST项目启动后，贵州省还特别立了《500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》。
人天精妙结合
在FAST正式运转以后，当地的国际射电科普旅游文化园专用通道以及观景台等亦将逐步对外开放。当然，比之一般的旅游来说，在此没有手机信号之地旅行，巡天遥看一千河，是另一番感觉。
回想当年，彭勃说，射电望远镜在设计建造之初就曾遇到经费紧张，但不管减什么科学家们都不愿缩小望远镜的口径。不减小口径，意味着选址大窝凼不会改变。
2011年9月，北京市建筑设计研究院有限公司（BIAD）复杂结构研究院，接受中科院国家天文台委托，进行FAST圈梁、索网的结构咨询方面的工作。由于BIAD在圈梁和格构柱关系、降低索网应力、索网节点设计等方面的突出工作，赢得了中科院天文台科学家的信任，2012年完成咨询任务后，中科院国家天文台正式委托BIAD进行FAST反射面系统主体支承结构设计。
该院钢结构所副所长张琳告诉《新民周刊》记者：“我们之前很少接触到这样的项目——一半是天然的，一半是人工建筑。尽管大窝凼很大，口径500米，但毕竟不是人工构建的，在借助天然地势之前，我们必须要注意——在依赖地形的同时，也要适应地形、顺势而为。”
BIAD设计团队深入研究了FAST反射面的四大特点——首先是尺度巨大，口径500米、面积是美国阿雷西博望远镜的2.5倍；其次是反射面在工作时，能实时调整形态，在观测方向形成300米口径瞬时抛物面以汇聚电磁波，这一点又完全不同于阿雷西博；第三则是其作为天文望远镜，精度需达到毫米级。外加工程位于地质、地貌复杂的喀斯特洼地，边界复杂。
“基于上述特点，FAST超越了以往工程的概念，其建造凸显多项技术难题。通过科技攻关，中国工程师取得系列技术创新成果，建成世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜，代表了中国制造的新水平。”张琳说。
去年于贵阳召开的第二届“射电天体物理前沿及FAST早期科学”研讨会上，美国加州大学伯克利分校射电实验室主卡尔·海尔斯发言称：“FAST相比起阿雷西博来说，更加灵敏，覆盖更大天区，且具有19波束的接收机，这使得FAST在HI/OH吸收线、脉冲星搜寻等方面拥有革命性的机遇。”
由于星际气体和尘埃的消光作用，光学望远镜难以看到更远的恒星，值得庆幸的是，1950年，发现了星际氢原子（中性氢，常用HI表示）21厘米波长发射谱线，它帮了人类的大忙。遥远的21厘米（即频率为1420兆赫）射电辐射，能够穿透“云山雾障”到达地球。但由于银河系的自转，按照多普勒效应，21厘米波长的氢谱线不仅变宽，而且还发生频率移动。谱线的频率移动值越大，就表示发出该谱线的射电源的相对视向速度越大，也就是说，该射电源离我们越远。而如果射电源里面HI的含量越多，它们发射出的辐射强度也就越大。这样，从射电观测资料便可推算出，在所测方向上的星际中性氢的含量，以及它们到观测者的距离。而作为目前地球上口径最大的射电望远镜FAST的优势正在于口径大。
中科院国家天文台射电部首席科学家李菂解释说，我国的望远镜与美国望远镜都是整体固定在地面上，但我国望远镜500米口径的球面是由四千多面主动反射单元构成，这一个个小的反射单元可以进行对焦，因此灵敏度可达Arecibo望远镜的2倍，巡天速度是它的10倍。
中国科学院国家天文台500米口径球面射电望远镜工程总工艺师王启明说，仅圈梁、索网和支撑馈源舱的6座高塔就用掉1万多吨钢材。
望远镜反射面总面积为25万平方米，相当于30个标准足球场那么大。尽管反射面板才1毫米厚，也用掉2000多吨铝合金。”王启明说。
但大射电望远镜绝不是金属堆砌的“傻大粗”，它是最精密的天文仪器。它在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下，可实现毫米级指向跟踪，确保精确地聚集和监听宇宙中微弱的射电信号。
张琳说：“北京市建筑设计研究院有限公司及合作团队通过FAST的工程创新与实践，提升了中国工程建造的水平，整合了产业链的上下游。FAST项目的研究成果也推广应用于多项国家重点工程，经济社会效益显著。通过FAST项目积累下的宝贵经验，我们BIAD也跨界到了科学领域大工程复杂技术的挑战中。”
中科院院长白春礼在FAST考察时曾指出：“当前国际竞争十分激烈，要争取FAST能够按期竣工。早日竣工，早日拿到数据，也是早日回报国家给予工程的投资。”白春礼所谓的回报，未必是金钱方面的回报。例如，国内的大飞机制造工程近年来投入巨大，一旦取得突破，将为我国的材料科学等诸多产业带来成果和效益，这将极大地反哺工业、制造业和民生领域。
链接：大窝凼
大窝凼(dàng)洼地位于平塘县克度镇南面，由岩溶漏斗、落水洞、天坑以及溶洞组成，是罗甸县大小井地下暗河的核心地段，是研究岩溶地区地下暗河和岩溶漏斗发育的典型地区。
如一个巨型“天坑”的“大窝凼”是隐藏在贵州群山深处的一片天然洼地，这里只居住着12户人家。
大窝凼不仅具有一个天然的洼地可以架设望远镜，而且喀斯特地质条件可以保障雨水向地下渗透，而不在表面淤积，腐蚀和损坏望远镜。
射电望远镜的观测不受天气阴晴影响，但在选址中有一种环境最重要，就是无线电环境。调频电台、电视、手机以及其他无线电数据的传输都会对射电望远镜的观测造成干扰。大射电望远镜对电磁环境有很高的要求，项目地址半径5公里之内必须保持宁静和电磁环境不受干扰。
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