产业分析

国际大科学工程SKA首台天线在中国电科54所启动

作者:来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2018-02-07 我要评论

北京时间2018年2月6日下午,由中国主导研制的国际大科学工程SKA(平方公里阵列射电望远镜,简称SKA)首台天线在石家庄启动,世界瞩目。在中国电子科技集团公司第五十四研究所(简称中国电科54所)工程现场,来自10余个国家的天文和工程技术专家、SKA天线工作包联盟参与国大使及科技参赞,SKA组织、中国科技部、中科院、国家自然科学基金委、SKA中国办、中国电科、河北省科技厅等单位领导和专家,共同见证了这一国际盛事。

这是继2015年12月54所提交的新颖天线设计方案被批准成为SKA后续研发的唯一方案后,又一里程碑事件。标志着中国在SKA核心设备研发中发挥引领和主导作用,在国际大科学工程中,为世界成功提供“天线解决方案”,标志着中国为国际天文领域做出重要贡献。

SKA:静伏在地球荒野探听宇宙奥秘的“精灵”

SKA始于上世纪九十年代初,是人类有史以来在建的最大综合孔径射电望远镜,是多国合作、共同出资的国际大科学工程。全球约20个国家上百个大学和科研机构的天文学家和工程师参与项目研发。

SKA选址在澳大利亚、南非及非洲南部8个国家的无线电宁静区域,在约3000公里的广袤荒野中,将建设2500面15米口径反射面天线(Dish)。可以想象,几千面天线,从中心向外呈旋臂状延伸,从空中望去,如同静静伏在地球表面的一只巨大“海星”,延伸着长长的“触角”,倾听来自宇宙最深处的声音。

SKA之所以命名,是因为组成阵列的射电望远镜总接收面积达一平方公里,相当于140个足球场大。SKA天线工作包联盟主席、中国电科SKA办公室副主任、54所专家王枫介绍,它的建设将为现有工程技术和研发水平带来质的飞跃,颠覆人类对宇宙和基本物理定律的理解。

王枫说,灵敏度和巡天速度是射电望远镜非常重要的两个指标。灵敏度越高,天线“看”得就越远,探测宇宙的能力就越强;巡天速度越快,天线“扫描”和“观测”同一天区的速度就越快,天线的工作效率就越高。SKA将成为地球上最大、最先进的科学设施,比目前最大的射电望远镜阵列——美国EVLA的灵敏度提高50倍,巡天速度提高10000倍。据专家估计,建成后的SKA,其性能在本世纪至少保持30-50年的领先地位。

如此庞大的项目,前无古人,非一国之力可以完成。中国是参与SKA项目的创始国之一。2011年, 7个创始成员国联合成立了SKA独立法人机构SKA组织(SKAO)。目前SKAO有10个成员国,总部设在英国,尚有多个国家正在申请成为成员国。  

SKA大作用:开启人类探测宇宙的新纪元                                                                                                                                                                                                                                       

SKA横跨两个大陆,其最长基线距离是3000公里,基线越大,望远镜的分辨率越高,观测就越精细,“绘制”的宇宙“图景”也更有价值,更让人期待。

专家认为,SKA将为人类认识宇宙提供重要机遇,开启人类探测宇宙的新纪元。它寄予着人类了解宇宙和生命奥秘的使命,将致力于揭示全球各国和人类共同关心的一些基本问题。“它将探测宇宙、星系的起源和演化,寻找更多的星系,探寻孕育生命的新摇篮、搜索外星生命等”,54所SKA反射面天线总设计师杜彪说,“它还将致力于揭示和回答关于‘基本力’问题。比如,检验爱因斯坦的广义相对论正确与否;探寻宇宙磁场从哪里来,怎么演化的。”

科学家认为,通过对SKA相关科学目标和关键技术的研究,将能促进天文前沿研究和方法创新,大幅提升天文、基础物理、信息科学等基础科学研究水平。

从跟跑到领跑:“中国智慧”为世界提供解决方案

54所参与SKA项目,始于2008年澳大利亚SKA探路者项目(ASKAP)。该天线综合性能远远超过用户期望,受到了澳方的高度赞扬,为54所参与进而主导SKA反射面天线研发奠定了坚实的基础。

2013年,SKAO向全球发布包括基础建设在内的11个工作包任务,其中天线工作包是其中最主要、最核心的部分。同年,SKA反射面天线工作包联盟(SKADC)成立,承接SKA天线工作包相关研制工作,成员包括9个国家的20家研究机构和大学。

为更好地发挥中方优势和作用, SKA中国办公室应运而生,隶属科技部领导。由54所和国家天文台共同组建的射电天文技术联合实验室(JLRAT)代表中国参与SKA反射面天线的设计研发。

据悉,SKA反射面天线经历了从概念天线样机、初步设计方案、详细设计方案、首台样机等几个研发阶段,中国的地位和作用随之日益提升。

“研制概念天线,是为了验证SKA反射面天线的概念设计是否可行。”杜彪说。2014年8月17日,54所研制的SKA中国验证天线(DVA-C)成功落成。15×18米的椭圆形反射面,采用碳纤维复合材料整体成型,中国成为世界上仅有的两个掌握该技术的国家之一。“该天线面型精度0.8毫米,研制用时仅10个月,达到世界领先水平。”SKAO总干事Philip Diamond在现场视察时给予高度评价,盛赞其体现了“中国速度”。

中国验证天线的成功,为中国参与SKA天线初步设计方案的竞争奠定了坚实的基础。2015年11月,SKA天线工作包联盟在加拿大召开国际专家评审会,54所提交的SKA天线初步设计方案,因其性能、技术成熟度、工程可实施性和成本等方面的显著优势,在激烈的竞争中脱颖而出,被推荐为后续唯一研发方案。随后,该方案由天线工作包联盟董事会决议推荐给SKAO,SKAO召集国际专家复审。最终,SKAO正式宣布其为SKA后续研发的唯一设计方案,标志着中国开始在SKA天线研发中发挥引领作用,从此,在SKA国际大科学工程中,中国从跟跑进入领跑,开始为世界提供“天线解决方案”。

再接再厉:研制SKA首台天线,中国首次牵头SKA工作包联盟工作

在初步设计方案的基础上,54所技术人员历时一年,突破了多项关键技术,完成了详细设计工作。2016年12月,54所提交的SKA天线详细设计方案在7个国家30多位专家和代表的国际评审下,在对700多个技术及管理问题进行逐条答辩后,顺利通过评审,由此进入天线样机制造阶段。

“SKA首台天线启动是SKA项目具有里程碑意义的重要事件”,54所所长张桂华介绍。综合考虑天线性能和成本,通过千百次的建模计算、结构优化、仿真测试、工艺试验,SKA首台天线完全能够满足SKA的要求,该天线具备了高性能、轻量化、低功耗、低成本、易安装、易测试、日常维护简便、使用寿命长、易批量生产和运输的特点。“(其)成功研制,体现了中国在天线领域的技术优势、智慧和能力”。

张桂华指出,由于中国在SKA反射面天线中的突出贡献,2017年10月,在多个国家的激烈竞争博弈中,在科技部和SKA中国办的积极推动和大力支持下,射电天文技术联合实验室成为SKA天线工作包联盟的牵头单位,王枫成为联盟的新主席。中国电科总经理刘烈宏说,“这是中国第一次正式牵头SKA工作包联盟工作,全面领导SKA工程核心设备研发。从参与到领导,体现了中国在射电天文领域的技术创新和突破,也为中国今后发起组织新的国际大科学计划和大科学工程积累了丰富经验。”

千呼万唤始出来:SKA首个仰望星空、机敏灵活的“大耳朵”,综合性能全球领先

SKA-P是54所主导研制的SKA首台样机。来自世界各地的上百名专家、学者见证了它的诞生。一声“启动”,10米高的底座上,反射体缓缓转动,犹如一只机敏灵活的“大耳朵”,俯仰之间,从15°到90°,缓缓扫过天际;水平转动,左右270°,从容巡视天空。

自2013年始,无数次的探讨与研究,数度激烈的研讨与竞争,反复的试验与仿真,最终成就了这只包含众多科学家期望与54所技术人员心血的“耳朵”。

这是一只“精密”的“耳朵”。它包含主副两个反射面,主反射面是一个15×20米的长六边形,面积达235平方米,超过半个篮球场大。主反射面由66块曲率各不相同、边长约3米的三角型面板拼装而成。54所团队开展了数百次的系列试验研究,历经30余次工艺试验,最终完美实现了单块三角型面板0.1毫米的精度。

这是一只灵敏的“耳朵”。在重力、温度和风载荷影响下,在其俯仰工作范围内,主反射面的精度达到0.5毫米,副反射面精度达0.2毫米。反射面的精度直接影响天线的灵敏度,SKA-P的工作频率为0.3-20GHz。54所SKA天线总设计师杜彪说,“SKA-P的综合性价比超过了目前所有同类天线”。同时,它采用高电磁屏蔽天线座架设计,实现了160dB的高电磁屏蔽指标。如果把天线的灵敏度比作“倾听的能力”,那么,高电磁屏蔽则是为这只“耳朵”倾听宇宙声音屏蔽掉电子设备辐射的电磁信号,让天线更加专注于宇宙目标。

这是一只强大的“耳朵”。它采用了全数字高精度伺服驱动控制系统、高精度座架和天线结构的保型设计,实现了千分之三度的高指向精度,当接收到观测指令时,它能精确地指向待测目标。同时,分布在3000公里范围的几千面天线要同步对准同一观测目标,并持续同步跟踪观测,实现最大的接收效率,SKA-P在设计制造中实现了“步调一致听指挥”的“高指向一致性”。

SKA为中国带来的影响:作为成员国,有望获得一定观测时间

首台天线启动,标志着SKA工程即将进入建设阶段。据王枫介绍,SKA建设将分为两个阶段:SKA1和SKA2,SKA1建设阶段项目总投入约6.75亿欧元,预计在三年左右建成130台天线,该阶段为试观测阶段,为SKA2大批量生产奠定工程技术、经费和科学观测基础。

目前,SKA各成员国正在协商出台SKA天文台公约。据了解,SKA1建成后,各成员国可以按照出资情况和贡献度按比例获得一定的观测时间,可以共享SKA获得的各项原始数据。“SKA‘看’得更远,‘看’得更清楚,必定会发现更多的天外星系,为人类带来很多意想不到的科学发现,一定会极大地推动我国天文、物理及信息技术等相关领域的研究水平,提高我国在国际上的影响力和地位。”杜彪说。

可以预见,“中国设计”和“中国制造”将闪耀着“中国智慧”、“中国精神”,领跑SKA天线研制,为人类观测宇宙做出中国贡献。

 


来源:电子信息产业网            责任编辑:徐恒

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