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建造巨型射电望远镜FAST——中国科学院国家天文台研究员姜鹏
2019-10-15
500米口径球面射电望远镜（FAST）被誉为“中国天眼”，是“十一五”国家重大科技基础设施建设项目，由中国科学院国家天文台主导建设。项目利用贵州天然喀斯特洼地作为望远镜台址，建造口径为500米的球冠状主动反射面射电望远镜，可实现大天区面积、高精度的天文观测。“中国天眼”FAST工程开创了建造巨型望远镜的新模式，将在脉冲星搜索、中性氢巡视等方面提供重大科学发现的新机遇，在非相干散射雷达、深空探测及通讯等方面具有非常重要的国家战略意义。工程于1994年6月开始选址和预研究，于2011年3月25日开工建设，2016年9月25日落成启用，进入调试试观测阶段，2019年4月22日，通过中国科学院组织的工艺鉴定和验收，预计将于2019年年底前完成国家验收，正式向国内天文学家开放。
1 自主创新，全力建设FAST工程
射电望远镜的灵敏度和波束大小都与口径相关，建设大口径、高灵敏度的巨型射电望远镜面临着诸多的困难。在各部门和贵州省的全力支持下，中国科学院与国内外科研机构、大学、企业通力合作，科学家和工程技术人员立足自主创新，利用贵州独特优越的自然条件，在方案设计、部件研制、系统集成、工程实施等方面，研发了一系列关键核心技术，实现了三项自主创新：利用地球上独一无二的优良台址——贵州天然喀斯特巨型洼地作为望远镜台址，使得望远镜建设突破百米极限；自主发明主动变形反射面，在观测方向形成300米口径瞬时抛物面汇聚电磁波，在地面改正球差，实现宽带和全偏振；采用光机电一体化技术，自主提出轻型索拖动馈源支撑系统和并联机器人，实现望远镜接收机的高精度指向跟踪，并将万吨平台降至几十吨。
2 突破瓶颈，高效完成望远镜的调试任务
FAST工程建设落成后，为了保障调试工作的顺利实施，FAST工程经理部从原来的建设队伍中抽调出青年精英组建调试团队，中国科学院国家天文台研究员姜鹏担任调试组组长，主导调试工作的开展。射电望远镜的调试涉及天文、力学、结构、测量、控制、电子学等多学科领域，具有强交叉学科的特点，所以国际上大射电望远镜的调试周期几乎没有低于4年的。FAST作为一架非传统工作方式的大型射电望远镜，其调试工作更是具有挑战性。在调试过程中，姜鹏研究员带领FAST工程调试团队攻坚克难，不断创新，突破了一系列技术难题，发展了基于力学仿真技术的实时安全评估系统，解决了复杂运动结构的安全评估难题，发明了基于对向观测技术的自动化监测系统，在500米尺度下实现了基准网的毫米级定位。通过关键技术攻关，调试团队快速、高效地完成了跟踪观测模式调试，实现了基本功能，随后又逐步实现了设计的各种观测模式，测量和控制精度也得到了逐步提高，仅用两年时间，团队就完成了望远镜的调试任务，望远镜的所有测试指标已经达到国家验收标准，远超国际惯例及同行预期。
截止目前，在团队成员驻守现场、异地坚守、舍家拼搏、不断努力下，望远镜的系统噪声温度已经控制到20K以下，指向精度达到8角秒的水平，FAST灵敏度已经超过2600m2/K，接近世界第二大望远镜Arecibo的3倍，对于GBT等其他大型射电望远镜则是接近量级的提升，同时推动了中国大射电设备在脉冲星发现方面的突破。
随着调试工作的开展以及望远镜性能的日趋完善，2017年8月，调试团队运用FAST发现了新脉冲星，并报告了其基本参数，实现了中国射电望远镜脉冲星发现零的突破。2018年2月，首次发现一颗费米源的毫秒脉冲星，突破了Arecibo多次搜索未果的瓶颈，用实力证明了FAST自身的灵敏度优势。2018年底，FAST工程调试团队与天马望远镜团队合作，首次成功实现联合观测，获得甚长基线干涉测量（VLBI）的干涉条纹。首条VLBI干涉条纹的获得，标志着FAST具备了参加VLBI网联合观测的能力。两台望远镜联合观测成功意义重大，有望提升我国VLBI网在L波段的灵敏度水平，有助于科学家们开展高灵敏度、高分辨率的射电天文观测。随着望远镜的性能提升及试观测工作的推进，已经产出了一系列的科学成果，可以预期，FAST正式投入运行后，其科学产出更加值得期待。
截至2019年9月，FAST已经探测到137颗优质的脉冲星候选体，认证96颗，其中一颗是迄今为止流量最暗弱的一颗毫秒脉冲星，也使我国在脉冲星发现领域处于领跑地位。还探测到了快速射电暴FRB121102大量重复爆发，其捕捉的爆发数量为目前全世界已知最多。
3 推动科技进步，实现大科学工程跨越发展
依托FAST项目所研发的超大跨度、超高精度、超强疲劳性主动变位工作模式的索网结构；高强度、耐长期弯曲疲劳、低损耗的动光缆；大尺度高精度实时测量系统；19波束L波段制冷接收机；超高标准电磁兼容设计等核心技术推动了国内相关领域的科技进步。
FAST的研制和建设，体现了我国自主创新能力，实现了我国大科学工程由跟踪模仿到集成创新的跨越，将为我国射电天文多个研究领域和自然科学相关领域提供重大发现的机会，将在日地环境研究、搜寻地外文明、国防建设和国家安全等国家重大需求等方面发挥不可替代的巨大作用。它的建设与运行将有利于促进西部经济的繁荣和社会进步，符合国家区域发展的总体战略。
专家及团队简介
姜鹏，FAST总工程师，FAST调试组组长，中国科学院国家天文台研究员、博士生导师。到国家天文台工作后，被委任为FAST索网子系统负责人。2013年入选“中国科学院青年创新促进会”；2015年入选“中国科学院关键技术人才”；2016年破格晋升为研究员；2017年入选“中国科学院青年创新促进会优秀会员”，同年开始担任FAST调试核心组组长，并被纳入到FAST工程经理部；2018年，被任命为FAST总工程师；2019入选国家“万人计划”。
曾获第十五届中国青年科技奖、第三十二届北京青年五四奖章、中国钢结构协会科学技术奖特等奖、北京市科学技术奖一等奖和广西技术发明一等奖，部分技术成果已推广应用到国内外多项工程。
500米口径球面射电望远镜（FAST）工程调试团队总共65人，其中35岁以下的有39人，是由青年人组成的调试突击队。团队近年来荣获第二十三届“中国青年五四奖章集体”、第十五届“中国青年科技奖”、第三十二届“北京青年五四奖章”、北京市科学技术进步一等奖1项，广西科学技术奖技术发明奖一等奖1项，辽宁省科技进步一等奖1项，贵州省科技进步二等奖1项，中国钢结构协会科学技术特等奖1项，中国机械工业科学技术奖一等奖1项，中国电子学会科技进步一等奖1项，中国科学院杰出科技成就奖1项，全国三八红旗集体奖1项，五一劳动奖1项，发表论文188篇。
