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中国天眼
 发布:令狐斌  浏览: 次 发布时间:2019-08-29 分享到:
中国天眼(FATS500米口径球500米口径球面射电望远镜面射电望远镜)

500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)英文简称刚好是FAST。FAST是世界在建的最大射电望远镜,借助天然圆形溶岩坑建造。FAST的反射镜边框是1500米长的环形钢梁,而钢索则依托钢梁,悬垂交错,呈现出球形网状结构。FAST的反射面总面积约25万平方米,用于汇聚无线电波、供馈源接收机接收。 

2016年7月3日,位于中国贵州省内的500米口径球面射电望远镜(FAST),顺利安装最后一块反射面单元,标志着FAST主体工程完工,进入测试调试阶段。平塘举世瞩目的500米口径球面射电望远镜于2016年9月25日落成启用,平塘大射电景区(大射电观景台、平塘天文科学文化园)于9月26日起试运营。2017年10月10日FAST发现6颗脉冲星,12月又新发现3颗脉冲星,共已经发现9颗脉冲星。

截至2018年9月12日,500米口径球面射电望远镜已发现59颗优质的脉冲星候选体,其中有44颗已被确认为新发现的脉冲星。有望2019年下半年完成验收并向全国天文学家开放使用。

基本信息

  • 中文名称

    500米口径球面射电望远镜

  • 外文名称

    FAST

  • 边    框

    1500米长

  • 地    址

    贵州省平塘县克度镇金科村大窝凼

  • 建    成

    2016年

  • 口    径

    500m

 
  • 中文俗称

    中国天眼

  • 发起人

    南仁东

  • 首席科学家

    南仁东

  • 总工程师

    南仁东

  • 设施级别

    国家重大科技基础设施

  • 接收面积

    25万平方米(相当于30个足球场)



历史沿革

1993年东京召开的国际无线电科学联盟大会上,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"。他们期望,在全球电信号环境恶化到不可收拾之前,能多收获一些射电信号。建造FAST的动机肇始于此。

1994年7月,FAST工程概念提出。

2001年,FAST预研究作为中科院首批"创新工程重大项目"立项,并得到中科院及科技部的支持。

2001年10月,知识创新工程首批重大项目"FAST预研究"总体验收。

2007年7月,国家发展和改革委员会批复500米口径球面射电望远镜国家重大科技基础设施立项建议书,原则同意将FAST项目列入国家高技术产业发展项目计划,FAST工程进入可行性研究阶段。

2008年10月,国家发改委批复500米口径球面射电望远镜国家重大科技基础设施项目可行性研究报告,FAST工程进入初步设计阶段。

2009年2月,500米口径球面射电望远镜国家重大科技基础设施初步概算获得贵州省发改委批复。

2011年3月,FAST工程开工报告获得批复,工程开工项目初步设计和概算获得中国科学院和贵州省人民政府的批复。

工程于2011年3月正式开工建设,预计2016年9月竣工,工期5.5年。望远镜台址挖掘完工,基地、主动反射面的建造均于2013年内动工。目前总投资概算为6.67亿元。

2015年2月4日上午,位于贵州平塘的500米口径球面射电望远镜(FAST)安装了最后一根钢索,索网制造和安装工程结束。这意味着FAST的支撑框架建设完成,进入了反射面面板拼装阶段。

2015年11月21日,在贵州黔南安装建设的500米口径球面射电望远镜(FAST)馈源支撑系统进行首次升舱试验,6根钢索拖动馈源舱提升108米,并进行相应的功能性测试。

2015年12月16日,世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST)进行反射面面板安装,边长约11米的三角形面板安装已经完成2059块,完成比例达46%。FAST的反射面总面积约25万平方米,用于反射无线电波、供馈源接收机接收,是FAST工程的主线,预计将于2016年4月安装完毕。

2016年3月8日,在贵州省平塘县建设的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST),已完成3492块反射面面板安装,完成比例达78.47%。

截至2016年4月10日,500米口径球面射电望远镜(FAST),已完成4185块反射面面板安装,完成比例达94.04%,工程进入收尾阶段。反射面安装工程预计将于2016年5月中旬完成。

贵州省平塘县的500米口径球面射电望远镜(英文简称FAST)是目前世界上规模最大的射电望远镜。FAST的反射面总面积约25万平方米,用于汇聚无线电波供馈源接收机接收,反射面安装工程预计将于2016年7月3日完成。截至6月29日,FAST已完成4443块反射面面板安装,完成比例达99.8%。2016年7月3日,500米口径球面射电望远镜(FAST)的最后一块反射面单元3日成功吊装,这标志着FAST主体工程顺利完工。

2016年9月25日,500米口径球面射电望远镜落成启用,平塘大射电景区(大射电观景台、平塘天文科学文化园)于9月26日起试运营。

2017年3月,进行调试阶段,下半年可能会进入试运行阶段,两年内有望完成验收。

2018年4月28日,从中国科学院国家天文台获悉,“天眼”FAST(500米口径球面射电望远镜)首次发现毫秒脉冲星并得到国际认证。新发现的脉冲星J0318+0253自转周期5.19毫秒,根据色散估算距离地球约4000光年,由FAST使用超宽带接收机进行一小时跟踪观测发现,是至今发现的射电流量最弱的高能毫秒脉冲星之一。

2018年7月12日,由贵州省科学技术奖励大会获悉,500米口径球面射电望远镜已发现43颗脉冲星。

截至2018年9月12日,500米口径球面射电望远镜已发现59颗优质的脉冲星候选体,其中有44颗已被确认为新发现的脉冲星。
结构性能

索网结构是FAST主动反射面的主要支撑结构,是反射面主动变位工作的关键点。索网制造与安装工程也是500米口径球面射电望远镜工程的主要技术难点之一,其关键技术问题主要包括:超大跨度索网安装方案设计、超高疲劳性能钢索结构研制、超高精度索结构制造工艺等。而索网工程的顺利完成,意味着FAST工程已经在上述关键技术难点方面实现实质性突破。

FAST索网结构直径500米,采用短程线网格划分,并采用间断设计方式,即主索之间通过节点断开。索网结构的一些关键指标远高于国内外相关领域的规范要求:例如,主索索段控制精度须达到1毫米以内,主索节点的位置精度须达到5毫米,索构件疲劳强度不得低于500MPa。整个索网共6670根主索、2225个主索节点及相同数量的下拉索。索网总重量约为1300余吨,主索截面一共有16种规格,截面积介于280-1319平方毫米之间。由于场地条件限制,全部索结构须在高空中进行拼装。

 

索网采取主动变位的独特工作方式,即根据观测天体的方位,利用促动器控制下拉索,在500米口径反射面的不同区域形成直径为300米的抛物面,以实现天体观测。
FAST索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系。其技术难度不言而喻,需要攻克的技术难题贯穿索网的设计、制造及安装全过程。仅以高应力幅钢索研制为例,FAST工程对拉索疲劳性能的要求相当于规范规定值的2倍,国内外均没有可借鉴的经验或资料作为参考。其研制工作经历了反复的"失败-认识-修改-完善"过程,最终历时一年半时间才完成技术攻关。所取得的成果已经在国际专家评审会上得到国外专家组的认可,成功在FAST工程上得到应用。随着索网诸多技术难题的不断攻克,形成了12项自主创新性的专利成果,其中发明专利7项,这些成果对我国索结构工程水平起到了巨大的提升作用。
项目介绍

2013年,一座口径达500米的球面射电望远镜FAST,将在贵州喀斯特洼地建成。该项目首席科学家、中科院国家天文台南仁东研究员在上海召开的"中国天文学会2006年学术年会"上表示,与世界现有最大口径100米望远镜相比,其观测能力提高了10倍,并且将在未来20~30年保持世界领先地位。

 

12月21日,中航工业贵州云马飞机制造厂运用航空制造技术,成功完成了FAST项目12米相似三角形的铝合金面板验证模型制造。该模型由100个1.2米等边三角形构成,每个等边三角形三个交点孔位置精度保持在0.1-0.15mm。该模型的成功制造,标志着云马厂在走向参与规划建设目前世界上最大的、具有500米口径球面射电望远镜(FivehundredmetersApertureSphericalTelescope,简称FAST)的工作中迈出了重要一步。

FAST是国家科教领导小组审议确定的国家九大科技基础设施之一,2007年7月10日,经国家发改委正式批复FAST立项后进入可行性研究阶段。由中国科学院和贵州省人民政府共同建设。建设周期以开工报告通过之日起约5.5年。该项目拟采用我国科学家独创的设计和我国贵州南部的喀斯特洼地的独特地形条件,建设一个约30个足球场大的高灵敏度的巨型射电望远镜。

FAST建成后将成为世界上最大口径的射电望远镜,FAST与号称"地面最大的机器"的德国波恩100米望远镜相比,灵敏度提高约10倍;与排在阿波罗登月之前、被评为人类20世纪十大工程之首的美国Arecibo300米望远镜相比,其综合性能提高约10倍。作为世界最大的单口径望远镜,FAST将在未来20~30年保持世界一流设备的地位。

FAST的设计技术方案除了在观测中性氢线及其他厘米波段谱线,开展从宇宙起源到星际物质结构的探讨、对暗弱脉冲星及其他暗弱射电源的搜索、高效率开展对地外理性生命的搜索等6个方面实现科学和技术的重大突破外,还将作为一个多学科基础研究平台,有能力将中性氢观测延伸至宇宙边缘,观测暗物质暗能量,寻找第一代天体。
工程概况
500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope)利用贵州喀斯特地区的洼坑作为望远镜台址,建造世界第一大单口径射电望远镜,其拥有30个标准足球场大的接收面积。FAST作为世界最大的单口径望远镜,将在未来20至30年保持世界一流地位。全新的设计思路,加之得天独厚的台址优势,使其突破了望远镜的百米工程极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。
创新

1、利用独一无二的贵州天然喀斯特洼地台址

2、应用主动反射面技术在地面改正球差

 

3、轻型索拖动馈源支撑将万吨平台降至几十吨
科学目标

1、FAST有能力将中性氢观测延伸至宇宙边缘,重现宇宙早期图像。

2、能用一年时间发现数千颗脉冲星,建立脉冲星计时阵,参与未来脉冲星自主导航和引力波探测。

3、主导国际甚长基线干涉测量网,获得天体超精细结构。

4、进行高分辨率微波巡视,检测微弱空间信号。

5、参与地外文明搜寻。

6、参与子午链工程,提高非相干散射雷达双机系统性能。

 

7、将深空通讯能力延伸至太阳系外缘行星,将卫星数据接收能力提高100倍。

折叠应用目标

1、空间飞行器的测控与通讯

2、脉冲星计时阵和自主导航

3、非相干散射雷达接收系统

4、高分辨率微波巡视

折叠技术指标

1、球反射面:半径-300m,口径-500m

2、有效照明口径:300m

3、焦比:0.467

4、天空覆盖:天顶角40°

5、工作频率:70MHz-3GHz

6、灵敏度(L波段):2000

折叠系统构成

台址勘察与开挖系统:拟对选定区域的地形、工程地质和水文地质环境等进行工程详细勘察、对FAST望远镜主动反射面整体工程区域土石方进行开挖、以及对洼地排水通道进行设计等。

主动反射面系统:包括一个口径500米由近万根钢索组成的反射面索网主体、反射面单元、促动器装置、地锚、圈梁等。反射面索网安装在格构式环形圈梁上,它有2400个连接节点,在索网上安装4600个反射面单元,2400个节点下方连接下拉索和促动器装置,促动器再与地锚连接,形成了完整的主动反射面系统,能够实现实时控制下形成瞬时300米口径抛物面的功能。

馈源支撑系统:在洼地周边山峰上建造6个百余米的支撑塔,安装公里尺度的钢索柔性支撑体系及其导索、卷索机构,以实现馈源舱的一级空间位置调整;制造直径10米左右的馈源舱,在馈源舱内安装Stewart平台(精调并联机器人)用于二级调整;制造两级调整机构之间的转向机构,辅助调整馈源舱的姿态角。

测量与控制系统:建设10余个毫米级精度基准站组成的测量基准网。通过9个近景测量基站,对反射面位形实时扫描;利用激光跟踪仪及激光跟踪系统实现对馈源舱实时反馈的控制;建设现场总线系统,实现反射面的主动变形;建设实时检测和健康监测系统。

馈源与接收机系统:研制高性能的多波束馈源接收机,频率覆70MHz-3GHz。研制馈源、低噪声制冷放大器、宽频带数字中频传输设备、高稳定度的时钟和高精度的频率标准设备等。配置多用途数字天文终端设备。

观测基地建设:主要负责观测基地及辅助设施的建设(包括道路施工等),以确保高质量的支持望远镜的运行、观测和维护,并满足FAST工作人员的工作与生活需要。根据功能需要,观测基地的建筑计划包括综合楼、维修厂房和分散在基地及反射面周围的零星建筑等。

折叠相关单位

项目主管部门:中国科学院

项目共建部门:贵州省人民政府

项目建设单位:中国科学院国家天文台

折叠台址

FAST台址选定在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地,此洼地位于北纬25.647222度,东经106.85583度,直径大约800米,东北距平塘县城约85km,西南距罗甸县城约45km。总体位于贵州高原向广西丘陵过渡的斜坡地带,地势总体上北高南低,区域内碳酸盐岩广泛分布,岩溶峰丘、洼地、落水洞极为发育,地形起伏不平,低山地形。大窝凼洼地的山梁最高为东南侧山头,标高1201m,洼地的最低点标高841m,最大相对高差达360m。洼地地表岩溶洼地发育,地形起伏大,坡度较陡,地貌类型简单,局部山体陡峭,形成陡崖和悬壁。中科院已在贵州省贵阳市注册成立贵州射电天文台管理该项目。

之所以选址“大窝凼”有三方面原因,一是地貌最接近FAST的造型,工程开挖量最小;二是这里的喀斯特地质可以保障雨水向地下渗透,不会在表面淤积而损坏和腐蚀望远镜;三是射电望远镜需要一处“静土”,“大窝凼”附近5千米半径之内没有一个乡镇,无线电环境理想。
科研发现

2017年10月10日,中科院国家天文台宣布,“中国天眼”发现2颗新脉冲星,距离地球分别约4100光年和1.6万光年。这是中国射电望远镜首次发现脉冲星。

2017年12月,又新发现3颗脉冲星,这3颗脉冲星已分别得到认证。共已经发现9颗脉冲星。

 

截至2018年9月12日,500米口径球面射电望远镜已发现59颗优质的脉冲星候选体,其中有44颗已被确认为新发现的脉冲星。有望2019年下半年完成验收并向全国天文学家开放使用。
应用价值

能把中国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘,将深空通讯数据下行速率提高100倍。

脉冲星到达时间测量精度由120纳秒提高至30纳秒,成为国际上最精确的脉冲星计时阵,为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟。

进行高分辨率微波巡视,以1HZ的分辩率诊断识别微弱的空间讯号,作为被动战略雷达为国家安全服务。

 

基于FAST的强大功能,如果银河系(直径约为15万光年)内存在外星人,他们的信息就很可能被发现。国际科研项目“搜寻外星人计划”(SETI)的首席科学家丹·沃西默最近向中方提出,希望在FAST加装设备,可合作搜索外星人信号。
项目意义

具有中国独立自主知识产权的FAST,是世界上已经建造完成的口径最大、最具威力的单天线射电望远镜,其设计综合体现了我国高技术创新能力。它将在基础研究众多领域,例如宇宙大尺度物理学、物质深层次结构和规律等方向提供发现和突破的机遇,也将在日地环境研究、国防建设和国家安全等方面发挥不可替代的作用。其建设将推动众多高科技领域的发展,提高原始创新能力、集成创新能力和引进消化吸收再创新能力。它的建设与运行将促进西部经济的繁荣和社会进步,符合国家区域发展总体战略。

 

FAST的天线口径为500米,将是国际上最大的单口径望远镜,与号称"地面最大的机器"德国波恩100米望远镜相比,其灵敏度提高约10倍。如果天体在宇宙空间均匀分布,FAST可观测目标的数目将增加约30倍。与美国Arecibo300米望远镜相比,FAST灵敏度高2.25倍,而且Arecibo20°天顶角的工作极限,限制了观测天区,特别是限制联网观测能力。可以预测FAST将在未来20-30年保持世界一流设备的地位,并将吸引国内外一流人才和前沿科研课题,成为国际天文学术交流中心。


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