用“最强大脑”织就灵动“观天神眼”

国际大科学工程SKA中方实物贡献的首批中频天线结构从石家庄出厂发运

用“最强大脑”织就灵动“观天神眼”

SKA中频天线

7月31日，中方向平方公里阵列天文台（SKAO）实物贡献的首批平方公里阵列射电望远镜（SKA）中频天线结构在石家庄中国电科网络通信研究院完成出厂验收。科技部、河北省人民政府、中国电子科技集团相关负责人、射电天文领域有关专家现场督导检查中频天线结构验收工作并见证天线出厂发运，按质按期交付。

按照2022年中方与SKAO签署的实物贡献协议，SKA中频天线结构任务由中方团队牵头，通过国际大协作共同研制建设。这是我国在SKA中承担的首个、也是SKAO目前最大的单笔实物贡献任务。据悉，中方实物贡献的首批SKA中频天线结构出厂发运后，将抵达南非卡鲁地区，在SKA中频天线台址进行现场组装测试。后续，SKA中频天线结构将进入批量生产建设阶段，中国制造的SKA中频天线将矗立在南非大地，“聆听”来自宇宙的声音。

共建：人类认知宇宙的前所未有的国际大科学合作

SKA始于上世纪九十年代初，是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组阵后，总接收面积将达到一平方公里，相当于140个足球场大。SKA是人类认知宇宙的一次前所未有的大科学合作。

“建成后的SKA将为人类认识宇宙提供重要机遇，将在探索星系的起源与演化等领域作出重要贡献。作为划时代的射电望远镜，SKA在尖端技术的支持下，有望对社会、科学及其他领域产生重大影响。”SKA中频天线结构项目负责人王大为表示。

SKA是科技部代表中国政府参与的一项重要国际大科学工程。“作为中频天线结构任务的一级承包方，我们负责64台SKA中频天线结构的设计、制造、运输、集成和调试等任务。”中国电科网络通信研究院党委书记徐小刚介绍，“能参与这样的国际大科学工程，为SKA贡献中国智慧和中国方案，既倍感荣幸又责任重大。”

创新：关键指标上将取得巨大进步

分辨率、灵敏度和巡天速度是射电望远镜的三个关键指标。灵敏度意味着宇宙中极其微弱的信号能不能被“看到”，分辨率意味着这些微弱信号能否被“看得清楚”，巡天速度则意味着对天区的观测效率。

SKA中频天线阵列与现有工作频段相同的最先进望远镜相比，在关键指标上将取得巨大进步。“为突破天线高灵敏度、低波束变形等世界性技术难题，我们针对SKA中频天线——双偏置格里高利天线开展了天线高灵敏度和高波束稳定度光学设计、结构保型优化设计、高精度建模和仿真分析、高精度装配测量和调试方法等一系列关键技术攻关。”SKA中频天线结构项目总设计师杜彪说。

矫正：让天线进化出“火眼金睛”

“从零开始”是SKA伺服系统设计师张一凡的真实写照。影响SKA“视力”是否精准的指标之一，便是SKA指向精度，而满足这项指标是前所未有的技术难题，这对他来说也是新标准、新挑战。SKA指向精度需要通过动态标校来验证，张一凡要做的便是将已有的技术静态标校变为动态标校。“我们不仅面临技术难题，还有时间要求，从方案构思到方案定版，只有一个多月的时间。”冥思苦想、废寝忘食是他那时的常态。

他与指向精度较真、死磕，埋身于国内外资料，写方案、指导实验、分析结果、更新方案，如此循环往复，“满足指标要求了！”天线的总盲指误差分布圆的直径从指标要求的36角秒达到了33角秒，张一凡不仅满足了既定指标要求，甚至还超越了标准。那一刻，喜悦爬上了他的面颊，因为他知道每一次的指标靠近，都意味着宇宙中极其微弱的信号能够被“看得更准”。

匠心：另辟蹊径完成“拼图”

天线能够看得更准的底气，不仅是通过软件的保障，还有来自天线结构提供的“安全感”。SKA天线结构安装实施负责人李鹏，平日的“拼图游戏”之一，便是完成SKA天线中支撑天线反射面板的骨架结构的安装。而这，却是一场考验耐心、细心和责任心的“高难度游戏”。

“为了在运动中克服重力和风的作用，保持骨架形状精度，每一根拉杆的位置和尺寸都经过了优化设计，每个球节点的形状和位置是独一无二的”。“游戏”目标是最终确保骨架结构所支撑的面板精度稳定，数据精确。游戏内容是在规定时间内拼接好天线背部骨架的300多根拉杆、100多个螺栓球。每根拉杆通过螺栓球连接，每个球上一般都有7-8个的孔，多的有12个孔，每个孔都分别用来连接一根拉杆。“做这件事的时候，一定要负责，细心！负责，细心！”团队一开始的拼接方案是由单人按顺序先后将一根根拉杆拼装成一个个整体组件，再将组件们拼装成完整的天线骨架结构。可测试结果却不尽如人意，面板精度不完全稳定。可一切都是按照方案拼装的，到底是哪里出了问题？眼看距离交付节点越来越近，李鹏带领团队将一个个拉杆拆卸下来，在以往结构安装经验的基础上，创新了安装方法：先把杆的一头拧上螺栓球，使用特定工具增加一定力矩以保持螺栓平衡，再将其他拉杆摆在预设位置，几个人同时拧上螺栓球，增加相同力矩，保证每一个拉杆的力矩精准到位，如此动作反复，直至拼装成一整个骨架结构，再由吊车完成吊装。“面板精度稳定”，胜利的声音萦绕在李鹏的耳畔。

迭代：先进算法绘制高精度结构

“天线结构作为SKA的关键组成部分，其设计标准极为严格，需满足高精度、大尺寸等要求。在我国，此前尚无方案能够完全达到这些高标准。”SKA力学仿真分系统负责人杨丰福说。在研发过程中，概念设计、初步设计、详细设计以及工程验证等多个阶段都能看到杨丰福的身影。一开始，按照“常规操作”得出的仿真设计并不能满足指标要求，项目进入瓶颈之时，他决定重新设计，巧妙地融入了拓扑优化的先进算法。在接下来的2至3周的时间里，他忘记了时间，几近疯狂地计算、优化。每一次细微调整的背后，都得益于杨丰福的头脑风暴，这边查阅资料，那边即刻开始付诸实践，经过成百上千次的细微调整和迭代，终于，在很平常的一天，很日常的一次尝试后，他电脑上的数据从“无解”变为“有解”。“原来，获得正解只需要一瞬间！”杨丰福说，一个成功的瞬间是由无数个潜心钻研的日日夜夜组成的。