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500米口徑球面射電望遠鏡
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500米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)英文簡稱剛好是FAST。  FAST是世界在建的最大射電望遠鏡,借助天然圓形溶岩坑建造。FAST的反射鏡框線是1500米長的環形鋼梁,而鋼索則依托鋼梁,懸垂交錯,呈現出球形網狀結構。FAST的反射面總面積約25萬平方米,用于匯聚無線電波、供饋源接收機接收。 

2016年7月3日,位于中國貴州省內的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST),順利安裝最後一塊反射面單元,標志著FAST主體工程完工,進入測試調試階段。平塘舉世矚目的500米口徑球面射電望遠鏡于2016年9月25日落成啓用,平塘大射電景區(大射電觀景台、平塘天文科學文化園)于9月26日起試運營。

  • 中文名稱
    500米口徑球面射電望遠鏡
  • 外文名稱
    FAST
  • 邊    框
    1500米長
  • 地    址
    貴州省平塘縣克度鎮金科村大窩凼
  • 建    成
    2016年
  • 口    徑
    500m

建設過程

1993年東京召開的國際無線電科學聯盟大會上,包括中國在內的10國天文學家提出建造新一代射電"大望遠鏡"。他們期望,在全球電信號環境惡化到不可收拾之前,能多收獲一些射電信號。建造FAST的動機肇始于此。

1994年7月,FAST工程概念提出。

2001年,FAST預研究作為中科院首批"創新工程重大項目"立項,並得到中科院及科技部的支持。

2001年10月,知識創新工程首批重大項目"FAST預研究"整體驗收。

2007年7月,國家發展和改革委員會批復500米口徑球面射電望遠鏡國家重大科技基礎設施立項建議書,原則同意將FAST項目列入國家高技術產業發展項目計畫,FAST工程進入可行性研究階段。

2008年10月,國家發改委批復500米口徑球面射電望遠鏡國家重大科技基礎設施項目可行性研究報告,FAST工程進入初步設計階段。

2009年2月,500米口徑球面射電望遠鏡國家重大科技基礎設施初步概算獲得貴州省發改委批復。

2011年3月,FAST工程開工報告獲得批復,工程開工項目初步設計和概算獲得中國科學院和貴州省人民政府的批復。

工程于2011年3月正式開工建設,預計2016年9月竣工,工期5.5年。望遠鏡台址挖掘完工,基地、主動反射面的建造均于2013年內動工。目前總投資概算為6.67億元。

2015年2月4日上午,位于貴州平塘的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)安裝了最後一根鋼索,索網製造和安裝工程結束​。這意味著FAST的支撐架構建設完成,進入了反射面面板拼裝階段。

高空航拍的施工現場高空航拍的施工現場

2015年11月21日,在貴州黔南安裝建設的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)饋源支撐系統進行首次升艙試驗,6根鋼索拖動饋源艙提升108米,並進行相應的功能性測試。

2015年12月16日,世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)進行反射面面板安裝,邊長約11米的三角形面板安裝已經完成2059塊,完成比例達46%。FAST的反射面總面積約25萬平方米,用于反射無線電波、供饋源接收機接收,是FAST工程的主線,預計將于2016年4月安裝完畢。

2016年3月8日,在貴州省平塘縣建設的世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡(FAST),已完成3492塊反射面面板安裝,完成比例達78.47%。

截至2016年4月10日,500米口徑球面射電望遠鏡(FAST),已完成4185塊反射面面板安裝,完成比例達94.04%,工程進入收尾階段。反射面安裝工程預計將于2016年5月中旬完成。

貴州省平塘縣的500米口徑球面射電望遠鏡(英文簡稱FAST)是目前世界上規模最大的射電望遠鏡。FAST的反射面總面積約25萬平方米,用于匯聚無線電波供饋源接收機接收,反射面安裝工程預計將于2016年7月3日完成。截至6月29日,FAST已完成4443塊反射面面板安裝,完成比例達99.8%。2016年7月3日,500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)的最後一塊反射面單元3日成功吊裝,這標志著FAST主體工程順利完工。

2016年9月25日,500米口徑球面射電望遠鏡落成啓用,平塘大射電景區(大射電觀景台、平塘天文科學文化園)于9月26日起試運營。

結構性能

索網結構是FAST主動反射面的主要支撐結構,是反射面主動變位工作的關鍵點。索網製造與安裝工程也是500米口徑球面射電望遠鏡工程的主要技術難點之一,其關鍵技術問題主要包括:超大跨度索網安裝方案設計、超高疲勞性能鋼索結構研製、超高精度索結構製造工藝等。而索網工程的順利完成,意味著FAST工程已經在上述關鍵技術難點方面實現實質性突破。

FAST索網結構直徑500米,採用短程線格線劃分,並採用間斷設計方式,即主索之間通過節點斷開。索網結構的一些關鍵指標遠高于國內外相關領域的規範要求:例如,主索索段控製精度須達到1毫米以內,主索節點的位置精度須達到5毫米,索構件疲勞強度不得低于500MPa。整個索網共6670根主索、2225個主索節點及相同數量的下拉索。索網總重量約為1300餘噸,主索截面一共有16種規格,截面積介于280-1319平方毫米之間。由于場地條件限製,全部索結構須在高空中進行拼裝。

索網採取主動變位的獨特工作方式,即根據觀測天體的方位,利用促動器控製下拉索,在500米口徑反射面的不同區域形成直徑為300米的拋物面,以實現天體觀測。

FAST索網是世界上跨度最大、精度最高的索網結構,也是世界上第一個採用變位工作方式的索網體系。其技術難度不言而喻,需要攻克的技術難題貫穿索網的設計、製造及安裝全過程。僅以高應力幅鋼索研製為例,FAST工程對拉索疲勞性能的要求相當于規範規定值的2倍,國內外均沒有可借鏡的經驗或資料作為參考。其研製工作經歷了反復的"失敗-認識-修改-完善"過程,最終歷時一年半時間才完成技術攻關。所取得的成果已經在國際專家評審會上得到國外專家組的認可,成功在FAST工程上得到套用。隨著索網諸多技術難題的不斷攻克,形成了12項自主創新性的專利成果,其中發明專利7項,這些成果對我國索結構工程水準起到了巨大的提升作用。

項目介紹

2013年,一座口徑達500米的球面射電望遠鏡FAST,將在貴州喀斯特窪地建成。該項目首席科學家、中科院國家天文台南仁東研究員在上海召開的"中國天文學會2006年學術年會"上表示,與世界現有最大口徑100米望遠鏡相比,其觀測能力提高了10倍,並且將在未來20~30年保持世界領先地位。

12月21日,中航工業貴州雲馬飛機製造廠運用航空製造技術,成功完成了FAST項目12米相似三角形的鋁合金面板驗證模型製造。該模型由100個1.2米等邊三角形構成,每個等邊三角形三個交點孔位置精度保持在0.1-0.15mm。該模型的成功製造,標志著雲馬廠在走向參與規劃建設目前世界上最大的、具有500米口徑球面射電望遠鏡(FivehundredmetersApertureSphericalTelescope,簡稱FAST)的工作中邁出了重要一步。

FAST是國家科教領導小組審議確定的國家九大科技基礎設施之一,2007年7月10日,經國家發改委正式批復FAST立項後進入可行性研究階段。由中國科學院和貴州省人民政府共同建設。建設周期以開工報告通過之日起約5.5年。該項目擬採用我國科學家獨創的設計和我國貴州南部的喀斯特窪地的獨特地形條件,建設一個約30個足球場大的高靈敏度的巨型射電望遠鏡。

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FAST建成後將成為世界上最大口徑的射電望遠鏡,FAST與號稱"地面最大的機器"的德國波恩100米望遠鏡相比,靈敏度提高約10倍;與排在阿波羅登月之前、被評為人類20世紀十大工程之首的美國Arecibo300米望遠鏡相比,其綜合性能提高約10倍。作為世界最大的單口徑望遠鏡,FAST將在未來20~30年保持世界一流設備的地位。

FAST的設計技術方案除了在觀測中性氫線及其他釐米波段譜線,開展從宇宙起源到星際物質結構的探討、對暗弱脈沖星及其他暗弱射電源的搜尋、高效率開展對地外理性生命的搜尋等6個方面實現科學和技術的重大突破外,還將作為一個多學科基礎研究平台,有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣,觀測暗物質暗能量,尋找第一代天體。

工程概況

500米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope)利用貴州喀斯特地區的窪坑作為望遠鏡台址,建造世界第一大單口徑射電望遠鏡,其擁有30個標準足球場大的接收面積。FAST作為世界最大的單口徑望遠鏡,將在未來20至30年保持世界一流地位。全新的設計思路,加之得天獨厚的台址優勢,使其突破了望遠鏡的百米工程極限,開創了建造巨型射電望遠鏡的新模式。

創新

1、利用獨一無二的貴州天然喀斯特窪地台址

2、套用主動反射面技術在地面改正球差

3、輕型索拖動饋源支撐將萬噸平台降至幾十噸

科學目標

1、FAST有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣,重現宇宙早期圖像。

2、能用一年時間發現數千顆脈沖星,建立脈沖星計時陣,參與未來脈沖星自主導航和引力波探測。

3、主導國際甚長基線幹涉測量網,獲得天體超精細結構。

4、進行高解析度微波巡視,檢測微弱空間信號。

5、參與地外文明搜尋。

6、參與子午鏈工程,提高非相幹散射雷達雙機系統性能。

7、將深空通訊能力延伸至太陽系外緣行星,將衛星資料接收能力提高100倍。

套用目標

1、空間飛行器的測控與通訊

2、脈沖星計時陣和自主導航

3、非相幹散射雷達接收系統

4、高解析度微波巡視

技術指標

1、球反射面:半徑-300m,口徑-500m

2、有效照明口徑:300m

3、焦比:0.467

4、天空覆蓋:天頂角40°

5、工作頻率:70MHz-3GHz

6、靈敏度(L波段):2000

系統構成

台址勘察與開挖系統:擬對選定區域的地形、工程地質和水文地質環境等進行工程詳細勘察、對FAST望遠鏡主動反射面整體工程區域土石方進行開挖、以及對窪地排水通道進行設計等。

建設中的fast建設中的fast

主動反射面系統:包括一個口徑500米由近萬根鋼索組成的反射面索網主體、反射面單元、促動器裝置、地錨、圈梁等。反射面索網安裝在格構式環形圈梁上,它有2400個連線節點,在索網上安裝4600個反射面單元,2400個節點下方連線下拉索和促動器裝置,促動器再與地錨連線,形成了完整的主動反射面系統,能夠實現即時控製下形成瞬時300米口徑拋物面的功能。

饋源支撐系統:在窪地周邊山峰上建造6個百餘米的支撐塔,安裝公裏尺度的鋼索柔性支撐體系及其導索、卷索機構,以實現饋源艙的一級空間位置調整;製造直徑10米左右的饋源艙,在饋源艙內安裝Stewart平台(精調並在線上器人)用于二級調整;製造兩級調整機構之間的轉向機構,輔助調整饋源艙的姿態角。

測量與控製系統:建設10餘個毫米級精度基準站組成的測量基準網。通過9個近景測量基站,對反射面位形即時掃描;利用雷射跟蹤儀及雷射跟蹤系統實現對饋源艙即時反饋的控製;建設現場匯流排系統,實現反射面的主動變形;建設即時檢測和健康監測系統。

饋源與接收機系統:研製高性能的多波束饋源接收機,頻率覆70MHz-3GHz。研製饋源、低噪聲製冷放大器、寬頻帶數位中頻傳輸設備、高穩定度的時鍾和高精度的頻率標準設備等。配置多用途數位天文終端設備。

觀測基地建設:主要負責觀測基地及輔助設施的建設(包括道路施工等),以確保高質量的支持望遠鏡的運行、觀測和維護,並滿足FAST工作人員的工作與生活需要。根據功能需要,觀測基地的建築計畫包括綜合樓、維修廠房和分散在基地及反射面周圍的零星建築等。

相關單位

項目主管部門:中國科學院

項目共建部門:貴州省人民政府

項目建設單位:中國科學院國家天文台

台址

FAST台址選定在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮金科村的大窩凼窪地,此窪地位于北緯25.647222度,東經106.85583度,直徑大約800米,東北距平塘縣城約85km,西南距羅甸縣城約45km。整體位于貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶,地勢整體上北高南低,區域內碳酸鹽岩廣泛分布,岩溶峰丘、窪地、落水洞極為發育,地形起伏不平,低山地形。大窩凼窪地的山梁最高為東南側山頭,標高1201m,窪地的最低點標高841m,最大相對高差達360m。窪地地表岩溶窪地發育,地形起伏大,坡度較陡,地貌類型簡單,局部山體陡峭,形成陡崖和懸壁。中科院已在貴州省貴陽市註冊成立貴州射電天文台管理該項目。

之所以選址“大窩凼”有三方面原因,一是地貌最接近FAST的造型,工程開挖量最小;二是這裏的喀斯特地質可以保障雨水向地下滲透,不會在表面淤積而損壞和腐蝕望遠鏡;三是射電望遠鏡需要一處“靜土”,“大窩凼”附近5千米半徑之內沒有一個鄉鎮,無線電環境理想。

項目意義

具有中國獨立自主智慧產權的FAST,是世界上正在建造及計畫中的口徑最大、最具威力的單天線射電望遠鏡,其設計綜合體現了我國高技術創新能力。它將在基礎研究眾多領域,例如宇宙大尺度物理學、物質深層次結構和規律等方向提供發現和突破的機遇,也將在日地環境研究、國防建設和國家安全等方面發揮不可替代的作用。其建設將推動眾多高科技領域的發展,提高原始創新能力、集成創新能力和引進消化吸收再創新能力。它的建設與運行將促進西部經濟的繁榮和社會進步,符合國家區域發展整體戰略。

FAST的天線口徑為500米,將是國際上最大的單口徑望遠鏡,與號稱"地面最大的機器"德國波恩100米望遠鏡相比,其靈敏度提高約10倍。如果天體在宇宙空間均勻分布,FAST可觀測目標的數目將增加約30倍。與美國Arecibo300米望遠鏡相比,FAST靈敏度高2.25倍,而且Arecibo20°天頂角的工作極限,限製了觀測天區,特別是限製聯網觀測能力。可以預測FAST將在未來20-30年保持世界一流設備的地位,並將吸引國內外一流人才和前沿科研課題,成為國際天文學術交流中心。

套用價值

  1. 能把中國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣,將深空通訊資料下行速率提高100倍。
  2. 脈沖星到達時間測量精度由120納秒提高至30納秒,成為國際上最精確的脈沖星計時陣,為自主導航這一前瞻性研究製作脈沖星鍾。
  3. 進行高解析度微波巡視,以1HZ的分辯率診斷識別微弱的空間訊號,作為被動戰略雷達為國家安全服務。
  4. 基于FAST的強大功能,如果銀河系(直徑約為15萬光年)記憶體在外星人,他們的信息就很可能被發現。國際科研項目“搜尋外星人計畫”(SETI)的首席科學家丹·沃西默最近向中方提出,希望在FAST加裝設備,可合作搜尋外星人信號。

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