网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

FAST的“锅”底原来有个洞?那还能煮火锅吗…

0
分享至

在贵州群山环抱的喀斯特洼坑中,500米口径的“中国天眼”如同一口银色巨锅,时刻捕捉着来自遥远天际的电磁波。它是我国重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,简称FAST),是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜,在脉冲星搜寻、中性氢观测、快速射电暴发现等领域居于国际领先。FAST于2016年9月25日落成,2020年1月11日通过国家验收,正式开放运行。

若你仔细观察这口“巨锅”,会注意到其反射面底部感觉有个形似正五边形的缺口。这个看似不完整的设计,实则被严丝合缝地封堵着,背后蕴含着精妙的工程智慧。


FAST望远镜整体照片(图片来源:FAST运行和发展中心)

Part.1

“天眼”底部为什么缺了一块?

“天眼”底部的“洞”是怎么来的,为什么会存在这个五边形缺口?答案与FAST望远镜的一项重要基础设施——位于反射面底部的馈源舱停靠平台有关。馈源舱是一个直径约13米、重30吨的金属舱体,舱体内装载着超低温制冷的接收机、馈源喇叭等精密仪器。可在百米范围内实现毫米级的精准移动和姿态调整,核心作用是确保舱内接收机稳定接收反射面汇聚的宇宙无线电波信号。

停靠平台位于反射面的底部,主要作用有两方面:一是作为维护基地。它是馈源舱的维护中心,支持定期检查、维修及设备更换。以馈源接收机的更换或维护为例,馈源舱平时悬于140米高空,在这样的高度开展维护显然不现实,因此必须将其降至望远镜底部进行操作。二是作为索系安装与更换的基础装置。拖动馈源舱的6根钢索寿命有限,需定期更换,而该平台提供了驱动索系的安装和更换接口,可保障钢丝绳的稳定性和可靠性。

由于开展上述两项工作时,平台的装置会高于反射面板,因此这个五边形缺口正是为适配平台而专门设计的。

Part.2

五边形缺口的封堵方案:从“机械花瓣”到“隐形斗篷”

这个五边形缺口难道就一直保持开放状态吗?答案是否定的。

这需要从射电望远镜的“灵敏度”说起——射电望远镜的灵敏度主要取决于其有效接收面积和系统噪声温度。当对目标进行观测时,若所使用的抛物面包含底部缺口对应的面积,接收机会接收到来自地面的热辐射,进而导致FAST整体的系统温度升高。这与天眼的“回照”策略类似:当天眼观测天顶角大于26.4度的天体时,馈源接收机会“照”到地面,此时需调整接收机姿态以避免接收地面辐射干扰。两者本质上都是为了隔绝地面的“杂音”。

因此,需要对这个五边形缺口进行灵活封堵。而制定封堵方案需重点考虑两方面因素:

一是需适配天眼的“变形”特性,当FAST追踪不同天体时,反射面会从初始球面变形为瞬时抛物面。此时索网(由数千根高疲劳强度钢索编成的“巨型可变形网兜”,通过节点下方的下拉索和促动器实时把局部球面拉伸成抛物面,以实现射电波的高效聚焦)中心正五边形在水平投影面内会沿钢索轴向和垂直钢索轴向两个方向上分别产生侧偏量,最大侧偏量为140mm,同时5套节点盘(是一种高强度金属连接件,每根主索交汇的连接点,采用圆盘形设计)的高度会产生变化,变化量±500mm。中心处正五边形孔的封堵结构和机构,应满足反射面变形要求。即这些侧偏量发生时,封堵方案需不受任何影响;

二是需具备快速拆除及快速恢复的能力。当馈源舱准备入港前,该封堵结构按面板、桁架梁、钢索和中心节点盘的次序被依次快速拆除,腾出空间容纳馈源舱入港停靠。当FAST馈源舱离港后,可按照与拆卸相反的顺序快速恢复封堵结构。

封堵方案经历了从“机械花瓣”到“隐形斗篷”的进化史。早期的实验方案可简单理解为“花瓣式”:用五块三角形反射面板组成一个可开合的结构,像五片花瓣围在中心。观测时“花瓣”闭合,让反射面保持完整;需要维修时“花瓣”打开,给馈源舱让道。其中一块“花瓣”开合的过程见如下视频:

反射面早期的封堵实验方案视频(视频来源:FAST运行和发展中心)

这个方案的优点很明显:观测过程中,如果300米的瞬时抛物面覆盖中心底部的五块三角形,闭合状态下则能充分利用五边形区域的反射面面积,让天眼的接收面积更大。但缺点也很突出——“花瓣”开合速度太慢。每次打开或闭合,耗费的时间会大于40分钟。这个“耗时短板”,让“花瓣式”方案最终没能落地。

目前的实验方案,是把封堵的五块面板换成一张“索张拉柔性网”,就像给缺口披了件“隐形斗篷”。该方案参考FAST运行和发展中心李辉的专利——《一种FAST反射面中心孔索张拉柔性封堵结构》(专利号:CN108736169A)。

该方案的优势在于,其封堵结构由柔性网与轻质面板组成,不仅重量更轻,操作也更为灵活,拆除过程仅需10分钟左右。不过,该方案也存在一定局限:在观测过程中,若抛物面覆盖了中心底部区域,会损失原五块反射面板的接收面积。但这部分面积仅占300米瞬时抛物面的不到1%,对整体灵敏度的影响微乎其微。

权衡之下,“高效优先”的柔性网方案成了最终选择。如今,当天眼需要维修时,这层“隐形斗篷”会迅速收起;观测时又会严丝合缝地盖好,让天眼始终保持最佳状态。


反射面底部当前的封堵现状(图片来源:FAST运行和发展中心)

封堵拆除过程(视频来源:FAST运行和发展中心)

Part.3

为什么反射面周边还有“小洞”?

其实,当我们俯视这口“大锅”时,细心的观察者会发现:除了中心底部的大缺口,反射面周边还有不少小洞。从上图“反射面底部当前的封堵现状”中,也能清晰看到其中散布的两个“小圆洞”。这些小洞又是怎么回事?答案藏在天眼的“定位系统”——“测量基墩”里。


FAST测量基墩照片(图片来源:FAST运行和发展中心)

作为为望远镜面型调整和馈源定位提供稳定支撑的基座,测量基墩是保障测量精度的核心。望远镜运行时,馈源舱的实时精确定位、抛物面的面型精度测量,均离不开这一基础装置。基墩上布设的徕卡测量仪器可支持全自动化测量,若将仪器置于面板下方,信号会被遮挡,测量工作便无从开展。因此,工程设计团队特意留设孔洞,让光束、信号与仪器得以“各行其道”。

反射面的面型测量是如何实现的呢?首先在反射面节点(即三角形面板的连接点)安装靶标,每个靶标相当于一个需测量相对位置的目标点。测量时,安置在测量基墩上的全站仪会发射调制红外光,对这些靶标的位置进行采集,工程师根据这些点的空间位置分布精确描绘出反射面的形状,从而实现对面型的测量。


测量基墩与反射面靶标(图片来源:新华社 欧东衢)

当然,这一过程需解决基准网构建、大气折光消除等技术问题。而馈源舱的位姿测量则采用多站交会技术:在反射面内的基准点部署3台全站仪,通过测量馈源舱边缘棱镜的坐标,结合交会算法解算得出舱体的空间位置。


全站仪工作状态照片(图片来源:FAST运行和发展中心)

为了给馈源舱留“维修站”,工程师们“让”出一块面积,又用巧妙的封堵方案补上了性能短板;为了保证测量精度,他们故意留下反射面周边的“小洞”,又用精准的布局让这些缺口不影响整体功能。这些设计背后,是对每一个细节的反复推敲。

从中心的五边形缺口到周边的小圆洞,FAST的这些“不完美”设计,恰恰体现了工程智慧的精髓:科学探索从来不是追求形式上的圆满,而是在约束与需求之间,找到那个精妙的最优平衡点。

出品:科普中国

作者:窝凼码农(中国科学院国家天文台/FAST运行和发展中心控制组组长)

监制:中国科普博览

本文仅代表作者观点,不代表中国科普博览立场

本文首发于中国科普博览(kepubolan)

转载请注明公众号出处


推荐资源

关注使用“科学与中国”小程序,可观看以院士科普视频为代表的优秀科普视频,第一时间获取中国科学院公众科学日、科学节等科普活动报名信息。


转载注明出处 未经授权不得转载

转载授权、合作、投稿事宜,联系webmaster@kepu.net.cn

中国科普博览是中国科学院科普云平台,依托中国科学院高端科学资源,致力于传播前沿科学知识,提供趣味科教服务。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
网红“反诈老陈”打假!深圳市监介入

网红“反诈老陈”打假!深圳市监介入

大象新闻
2026-01-06 07:01:10
广州停车费大改革2026年落地!新能源车免停+日间45元封顶

广州停车费大改革2026年落地!新能源车免停+日间45元封顶

趣味萌宠的日常
2026-01-06 10:33:49
发现广东一户人家,仅用6组柜子就圈粉无数,网友:堪称教科书

发现广东一户人家,仅用6组柜子就圈粉无数,网友:堪称教科书

装修秀
2026-01-06 10:45:03
流落柬埔寨女网红毒品检测呈阳性,诊断出肺部感染等多种病症,其母已在飞机上

流落柬埔寨女网红毒品检测呈阳性,诊断出肺部感染等多种病症,其母已在飞机上

上观新闻
2026-01-06 16:00:05
广州小学生被抽血事件:告诉爸妈就扣小红花

广州小学生被抽血事件:告诉爸妈就扣小红花

每日一见
2026-01-02 12:21:28
上海一男子开假派出所,3个月破案百起,缴获上千万赃款

上海一男子开假派出所,3个月破案百起,缴获上千万赃款

徐侠客有话说
2025-07-18 14:14:09
14投13中!46分!恭喜杨瀚森,进入开拓者轮换名单

14投13中!46分!恭喜杨瀚森,进入开拓者轮换名单

赵或是个热血青年
2026-01-06 09:52:41
疼坏了!新生儿被剪断手指紧急转院,暂不议赔偿,家属发声太揪心

疼坏了!新生儿被剪断手指紧急转院,暂不议赔偿,家属发声太揪心

一口娱乐
2026-01-06 12:36:56
刚刚!券商股,突然爆发!A股,新突破!

刚刚!券商股,突然爆发!A股,新突破!

证券时报e公司
2026-01-06 10:25:40
想不到,用命守卫马杜罗到最后的,不是俄,也不是委,而是他们

想不到,用命守卫马杜罗到最后的,不是俄,也不是委,而是他们

策略述
2026-01-06 12:21:49
这种息肉几乎100%会癌变,还会遗传,40岁以后一定要注意!

这种息肉几乎100%会癌变,还会遗传,40岁以后一定要注意!

DrX说
2026-01-06 14:39:21
曼联新帅5大候选曝光 哈维主动请缨 水晶宫主帅今夏或携3爱将来投

曼联新帅5大候选曝光 哈维主动请缨 水晶宫主帅今夏或携3爱将来投

我爱英超
2026-01-05 22:27:26
女篮名将展淑萍:儿子六岁丈夫去世,再婚带儿子付豪改嫁给裁判

女篮名将展淑萍:儿子六岁丈夫去世,再婚带儿子付豪改嫁给裁判

丰谭笔录
2026-01-02 09:25:00
熬了这么久,《镖人》总算敲定档期了

熬了这么久,《镖人》总算敲定档期了

小光侃娱乐
2026-01-06 12:35:03
2026住房好消息来了,住4楼以上的朋友大受益!这两类人直接吃香

2026住房好消息来了,住4楼以上的朋友大受益!这两类人直接吃香

夜深爱杂谈
2026-01-05 22:17:47
命中率63%!场均轰30.4分,所有人都说你该退役了,你却创NBA奇迹

命中率63%!场均轰30.4分,所有人都说你该退役了,你却创NBA奇迹

巴叔GO聊体育
2026-01-06 15:35:29
美高官:先打中国再打朝鲜,打不过就核战,因为中国火箭军太强大

美高官:先打中国再打朝鲜,打不过就核战,因为中国火箭军太强大

有牙的兔纸
2026-01-04 21:07:55
7级大风+降温!深圳天气有变!降雨将出现在......

7级大风+降温!深圳天气有变!降雨将出现在......

深圳晚报
2026-01-06 08:08:37
外媒:歼-36可能并不是六代机,最可能是取代歼轰-7的歼轰战机

外媒:歼-36可能并不是六代机,最可能是取代歼轰-7的歼轰战机

止戈军是我
2026-01-01 22:30:54
中方是否与罗德里格斯接触?外交部回应

中方是否与罗德里格斯接触?外交部回应

极目新闻
2026-01-05 16:10:29
2026-01-06 16:40:49
中国科普博览 incentive-icons
中国科普博览
中国科学院科普云平台
4740文章数 201344关注度
往期回顾 全部

科技要闻

速看!黄仁勋万字实录:甩出"物理AI"王牌

头条要闻

美高官:委官员已私下保证 将满足美提出的条件和要求

头条要闻

美高官:委官员已私下保证 将满足美提出的条件和要求

体育要闻

从NBA最菜首发控卫,到NBA最强乔治

娱乐要闻

朱媛媛遗作《小城大事》定档1月10日

财经要闻

丁一凡:中美进入相对稳定的竞争共存期

汽车要闻

摩登出街潮品 实拍奇瑞QQ冰淇淋女王版

态度原创

艺术
数码
手机
本地
公开课

艺术要闻

2026马年赵孟頫高清集字春联大放送,收藏备用!

数码要闻

微星CES 2026秀AI迷你PC矩阵,押注英特尔、AMD与英伟达平台

手机要闻

苹果马年微信红包封面/壁纸来了:免费领!

本地新闻

云游内蒙|初见呼和浩特,古今交融的北疆都会

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版