SKA中頻天線
7月31日,中方向平方公里陣列天文臺(tái)(SKAO)實(shí)物貢獻(xiàn)的首批平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡(SKA)中頻天線結(jié)構(gòu)在石家莊中國(guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院完成出廠驗(yàn)收。科技部、河北省人民政府、中國(guó)電子科技集團(tuán)相關(guān)負(fù)責(zé)人、射電天文領(lǐng)域有關(guān)專家現(xiàn)場(chǎng)督導(dǎo)檢查中頻天線結(jié)構(gòu)驗(yàn)收工作并見(jiàn)證天線出廠發(fā)運(yùn),按質(zhì)按期交付。
按照2022年中方與SKAO簽署的實(shí)物貢獻(xiàn)協(xié)議,SKA中頻天線結(jié)構(gòu)任務(wù)由中方團(tuán)隊(duì)牽頭,通過(guò)國(guó)際大協(xié)作共同研制建設(shè)。這是我國(guó)在SKA中承擔(dān)的首個(gè)、也是SKAO目前最大的單筆實(shí)物貢獻(xiàn)任務(wù)。據(jù)悉,中方實(shí)物貢獻(xiàn)的首批SKA中頻天線結(jié)構(gòu)出廠發(fā)運(yùn)后,將抵達(dá)南非卡魯?shù)貐^(qū),在SKA中頻天線臺(tái)址進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝測(cè)試。后續(xù),SKA中頻天線結(jié)構(gòu)將進(jìn)入批量生產(chǎn)建設(shè)階段,中國(guó)制造的SKA中頻天線將矗立在南非大地,“聆聽(tīng)”來(lái)自宇宙的聲音。
共建:人類認(rèn)知宇宙的前所未有的國(guó)際大科學(xué)合作
SKA始于上世紀(jì)九十年代初,是有史以來(lái)在建的最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡,是多國(guó)合作、共同出資的國(guó)際大科學(xué)工程。全球約20個(gè)國(guó)家上百個(gè)大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的天文學(xué)家和工程師參與項(xiàng)目研發(fā)。SKA組陣后,總接收面積將達(dá)到一平方公里,相當(dāng)于140個(gè)足球場(chǎng)大。SKA是人類認(rèn)知宇宙的一次前所未有的大科學(xué)合作。
“建成后的SKA將為人類認(rèn)識(shí)宇宙提供重要機(jī)遇,將在探索星系的起源與演化等領(lǐng)域作出重要貢獻(xiàn)。作為劃時(shí)代的射電望遠(yuǎn)鏡,SKA在尖端技術(shù)的支持下,有望對(duì)社會(huì)、科學(xué)及其他領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響?!盨KA中頻天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王大為表示。
SKA是科技部代表中國(guó)政府參與的一項(xiàng)重要國(guó)際大科學(xué)工程?!白鳛橹蓄l天線結(jié)構(gòu)任務(wù)的一級(jí)承包方,我們負(fù)責(zé)64臺(tái)SKA中頻天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、集成和調(diào)試等任務(wù)?!敝袊?guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院黨委書(shū)記徐小剛介紹,“能參與這樣的國(guó)際大科學(xué)工程,為SKA貢獻(xiàn)中國(guó)智慧和中國(guó)方案,既倍感榮幸又責(zé)任重大。”
創(chuàng)新:關(guān)鍵指標(biāo)上將取得巨大進(jìn)步
分辨率、靈敏度和巡天速度是射電望遠(yuǎn)鏡的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。靈敏度意味著宇宙中極其微弱的信號(hào)能不能被“看到”,分辨率意味著這些微弱信號(hào)能否被“看得清楚”,巡天速度則意味著對(duì)天區(qū)的觀測(cè)效率。
SKA中頻天線陣列與現(xiàn)有工作頻段相同的最先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡相比,在關(guān)鍵指標(biāo)上將取得巨大進(jìn)步?!盀橥黄铺炀€高靈敏度、低波束變形等世界性技術(shù)難題,我們針對(duì)SKA中頻天線——雙偏置格里高利天線開(kāi)展了天線高靈敏度和高波束穩(wěn)定度光學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)保型優(yōu)化設(shè)計(jì)、高精度建模和仿真分析、高精度裝配測(cè)量和調(diào)試方法等一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)?!盨KA中頻天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師杜彪說(shuō)。
矯正:讓天線進(jìn)化出“火眼金睛”
“從零開(kāi)始”是SKA伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)師張一凡的真實(shí)寫(xiě)照。影響SKA“視力”是否精準(zhǔn)的指標(biāo)之一,便是SKA指向精度,而滿足這項(xiàng)指標(biāo)是前所未有的技術(shù)難題,這對(duì)他來(lái)說(shuō)也是新標(biāo)準(zhǔn)、新挑戰(zhàn)。SKA指向精度需要通過(guò)動(dòng)態(tài)標(biāo)校來(lái)驗(yàn)證,張一凡要做的便是將已有的技術(shù)靜態(tài)標(biāo)校變?yōu)閯?dòng)態(tài)標(biāo)校?!拔覀儾粌H面臨技術(shù)難題,還有時(shí)間要求,從方案構(gòu)思到方案定版,只有一個(gè)多月的時(shí)間?!壁に伎嘞?、廢寢忘食是他那時(shí)的常態(tài)。
他與指向精度較真、死磕,埋身于國(guó)內(nèi)外資料,寫(xiě)方案、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果、更新方案,如此循環(huán)往復(fù),“滿足指標(biāo)要求了!”天線的總盲指誤差分布圓的直徑從指標(biāo)要求的36角秒達(dá)到了33角秒,張一凡不僅滿足了既定指標(biāo)要求,甚至還超越了標(biāo)準(zhǔn)。那一刻,喜悅爬上了他的面頰,因?yàn)樗烂恳淮蔚闹笜?biāo)靠近,都意味著宇宙中極其微弱的信號(hào)能夠被“看得更準(zhǔn)”。
匠心:另辟蹊徑完成“拼圖”
天線能夠看得更準(zhǔn)的底氣,不僅是通過(guò)軟件的保障,還有來(lái)自天線結(jié)構(gòu)提供的“安全感”。SKA天線結(jié)構(gòu)安裝實(shí)施負(fù)責(zé)人李鵬,平日的“拼圖游戲”之一,便是完成SKA天線中支撐天線反射面板的骨架結(jié)構(gòu)的安裝。而這,卻是一場(chǎng)考驗(yàn)?zāi)托?、?xì)心和責(zé)任心的“高難度游戲”。
“為了在運(yùn)動(dòng)中克服重力和風(fēng)的作用,保持骨架形狀精度,每一根拉桿的位置和尺寸都經(jīng)過(guò)了優(yōu)化設(shè)計(jì),每個(gè)球節(jié)點(diǎn)的形狀和位置是獨(dú)一無(wú)二的”?!坝螒颉蹦繕?biāo)是最終確保骨架結(jié)構(gòu)所支撐的面板精度穩(wěn)定,數(shù)據(jù)精確。游戲內(nèi)容是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)拼接好天線背部骨架的300多根拉桿、100多個(gè)螺栓球。每根拉桿通過(guò)螺栓球連接,每個(gè)球上一般都有7-8個(gè)的孔,多的有12個(gè)孔,每個(gè)孔都分別用來(lái)連接一根拉桿?!白鲞@件事的時(shí)候,一定要負(fù)責(zé),細(xì)心!負(fù)責(zé),細(xì)心!”團(tuán)隊(duì)一開(kāi)始的拼接方案是由單人按順序先后將一根根拉桿拼裝成一個(gè)個(gè)整體組件,再將組件們拼裝成完整的天線骨架結(jié)構(gòu)??蓽y(cè)試結(jié)果卻不盡如人意,面板精度不完全穩(wěn)定??梢磺卸际前凑辗桨钙囱b的,到底是哪里出了問(wèn)題?眼看距離交付節(jié)點(diǎn)越來(lái)越近,李鵬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將一個(gè)個(gè)拉桿拆卸下來(lái),在以往結(jié)構(gòu)安裝經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新了安裝方法:先把桿的一頭擰上螺栓球,使用特定工具增加一定力矩以保持螺栓平衡,再將其他拉桿擺在預(yù)設(shè)位置,幾個(gè)人同時(shí)擰上螺栓球,增加相同力矩,保證每一個(gè)拉桿的力矩精準(zhǔn)到位,如此動(dòng)作反復(fù),直至拼裝成一整個(gè)骨架結(jié)構(gòu),再由吊車完成吊裝?!懊姘寰确€(wěn)定”,勝利的聲音縈繞在李鵬的耳畔。
迭代:先進(jìn)算法繪制高精度結(jié)構(gòu)
“天線結(jié)構(gòu)作為SKA的關(guān)鍵組成部分,其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)格,需滿足高精度、大尺寸等要求。在我國(guó),此前尚無(wú)方案能夠完全達(dá)到這些高標(biāo)準(zhǔn)。”SKA力學(xué)仿真分系統(tǒng)負(fù)責(zé)人楊豐福說(shuō)。在研發(fā)過(guò)程中,概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)以及工程驗(yàn)證等多個(gè)階段都能看到楊豐福的身影。一開(kāi)始,按照“常規(guī)操作”得出的仿真設(shè)計(jì)并不能滿足指標(biāo)要求,項(xiàng)目進(jìn)入瓶頸之時(shí),他決定重新設(shè)計(jì),巧妙地融入了拓?fù)鋬?yōu)化的先進(jìn)算法。在接下來(lái)的2至3周的時(shí)間里,他忘記了時(shí)間,幾近瘋狂地計(jì)算、優(yōu)化。每一次細(xì)微調(diào)整的背后,都得益于楊豐福的頭腦風(fēng)暴,這邊查閱資料,那邊即刻開(kāi)始付諸實(shí)踐,經(jīng)過(guò)成百上千次的細(xì)微調(diào)整和迭代,終于,在很平常的一天,很日常的一次嘗試后,他電腦上的數(shù)據(jù)從“無(wú)解”變?yōu)椤坝薪狻??!霸瓉?lái),獲得正解只需要一瞬間!”楊豐福說(shuō),一個(gè)成功的瞬間是由無(wú)數(shù)個(gè)潛心鉆研的日日夜夜組成的。
記者王立鵬 通訊員李燕茹
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