国家天文台青年研究员中国科学院青年促进会会员FAST运营发展中心机械组组

姚瑞:国家天文台青年研究员，中国科学院青年促进会会员，FAST运营发展中心机械组组长他的主要研究兴趣是天文技术和方法，以及电缆并联机器人2018年入选全国35名35岁以下科技创新青年名单

以下内容来自墨子沙龙中国科学仪器活动

前两位老师给我们带来了很多科学之美，受到它们的启发，你可能想成为一名科学家虽然我来自国家天文台，但我是工科出身，所以今天我会给大家讲更多关于FAST项目的故事希望现场的小朋友们能受此启发，成为工程师

我是国家天文台的姚瑞，今天的内容是五百米口径球面射电望远镜其实我们都叫它FAST很久了，2016年的时候叫五百米口径球面射电望远镜有人说FAST代表着希望望远镜造得更快，其实不然是500米射电望远镜的简单英文缩写，对于做工程的人来说是最简单的事情

历经22年，望远镜于2016年建成，并于今年3月31日正式向全球开放FAST具有出色的灵敏度灵敏度是指可以检测到的信号有多弱那么如何获得微弱的信号呢对于射电望远镜来说，非常简单粗暴，就是需要很大的面积面积越大，同时接收的能量越多，灵敏度越高FAST建成后，其灵敏度是当时阿雷西博的2.5倍，占据了世界射电望远镜的制高点

我做FAST已经15年了当我第一次接触FAST时，我还是一名在校学生讲课的时候，老师会经常问你:这是什么东西什么是射电望远镜很多时候，我们提到望远镜停留在光学望远镜的水平，通过它我们可以看到恒星和银河系什么是射电望远镜国家天文台的老师告诉我们，这是一个天线大锅就像我们的天线一样，它可以接收无线波段的信号，主要在毫米，厘米，分米和米的范围内FAST主要在分米到米的范围内工作

射电望远镜的历史远不如光学望远镜20世纪30年代，卡尔詹斯基无意中的发现标志着射电天文学的诞生虽然诞生时间较短，不到100年，但在20世纪60年代取得了脉冲星，星际分子，微波背景辐射和类星体等四大发现，并获得了相应的诺贝尔奖因此，我们可以看到，在六七十年代，大量的射电望远镜正在建造中这也是FAST开始建设的动力

1994年，国际无线电会议提出了一公里方阵的设想一平方公里阵列是指由多台射电望远镜组成一个射电望远镜阵列，然后达到高分辨率，同时希望灵敏度能尽可能高但是在90年代，中国要想参与国际项目，会遇到很多阻力因为这种阻力，南任栋先生首先提出中国是否应该自己建造射电望远镜，这是最初的推动力建造自己的射电望远镜，不需要申请那么辛苦的国际射电天文学观测时间，可利用的时间很短

建造什么样的射电望远镜，一开始就有一个考虑你会发现，通过几十年的成长，它的直径最多只有100米左右这是因为就其结构而言，较大的直径会对其底层动力学，以及其结构安全性，结构精度等产生很大影响所以很大程度上，对于这种望远镜来说，100米的配置似乎是极限了

如果射电望远镜想要达到高灵敏度，就必须扩大它的面积我该怎么办很多时候，人们会把注意力转向美国的阿雷西博，它成立于20世纪60年代经过两次改造，变成了现在的样子不幸的是，它去年彻底告别了我们但这真的是突破百米极限的新概念

最早的时候，FAST是参照阿雷西博设计的事实上，当你看到当前的FAST时，你会联想到阿雷西博看下图，是FAST在1995年和1996年申请部分项目时的手绘从这里看，它几乎像是阿雷西博的复制品，只是比例改为500米，仍然被认为是一个上面有线进给的球体当时在概念上有一个不同，就是国内的科学家大胆地认为，与其用几根固定的钢丝绳，不如用一根可移动的钢丝绳拉着送丝机在比较大的天空区域内来回移动，而不是在和他们一样大的三角形中间搭建一个刚架因为我们发现，直径500米的望远镜如果用这样的框架建造，中间的框架要花费上万吨，所以没有办法建造

当考虑到上部可以移动时，是否可以移动下反射面，即不用球面反射面，而用抛物面，这样可以最大限度地将抛物面中间的信号会聚到焦点位置那么，如果500米望远镜只是一个抛物面，那就意味着我只能接受天空区域上方某个角度的信号，那么怎么做呢所以我改变了我的观念在300米尺度内，选择合适的焦比，抛物面到球面的变形小于半米我们能建造一个能实时移动的抛物面吗虽然直径500米，但瞬时有效接收面积是300米，所以我们可以在300米范围内把它从球面变成抛物面，然后最大限度地接收300米范围内的所有能量有可能实现最新的概念吗

以想象 500 米口径的球面里面，可以变形成无数个 300 米口径的抛物面，那么这无数个 300 米的抛物面，它的焦点就会变成一个焦面，焦面会位于整个反射面上方 140 米到 170 米，开口口径在 206 米的一个球冠面。

钢丝绳牵引变成一个很好用的方式，可以牵引中间的馈源舱在 200 米的范围之内来进行运动，然后能到达无数个焦点的位置但是这样的精度需要多高观测的频段是在 70M 到 3G 赫兹，也就是常说的厘米波到米波的一个范围这样的话对于它的控制精度的要求就要求反射面 300 米的面型精度要控制在四毫米以内，馈源舱中间的馈源的向心点的精度是需要控制在毫米量级而现在用的钢丝绳就足足有 46 毫米的直径，所以也就是说，我现在控制的精度比钢丝绳的直径还要小

概念是有了，下面就是怎么建设它在 2006 年的时候正式立项了，从 1994 年到 2006 年，经历了 12 年才把项目算是立项，可以开始建设了我们的建设单位是国家天文台科学目标主要是脉冲星，中性氢，还包括空间飞行器的测控等等方向的一些应用

但是当实际开始建设的时候已经到了 2011 年，即使在开始建设的时候，还是遇到了很多的问题首先是选择地点，从 1994 年提出这种概念开始，南老师就开始了寻找能够建设 500 米口径射电望远镜的地方，当时他找到了遥感所的聂乐平老师聂老师是贵州人，所以他知道在云贵山区有很多的喀斯特地貌天然的喀斯特地貌，水会渗透到下面形成暗河暗流将水流走所以首先那个地方不会积水，还有，它会像一个个坑一样，望远镜建设的地方就是一个天然的大坑

还需要一个很好的射电环境，那边的整个的电磁波的影响要对射电望远镜的影响比较小，本底噪声越低越好，这样相对来说就能探测更暗弱的信号我们观测的频段刚好是包括手机信号的频段，飞机的频段，各种各样的频段，非常尴尬就要找一个相对来说无人区的地方FAST 在的这个地方，当时周边是非常荒凉的，只有 12 户人，离外面的最小的一个镇，建完路之后还得有十几公里，最早的时候连路都没有，贵州政府后来又建了很多的路，做了很多的基建，才能够开始建设射电望远镜

基于这些情况，得到了一个天然的大坑，减少了建设成本同时它有很好的射电环境，周围没有手机基站，五公里都是一个射电禁区同时它还有很好的一个地下的环境，这种地质环境能够让一些积水可以自动地渗下去，毕竟云贵那边的雨水也非常的多十几年我们找到了最完美的一个坑

在建设过程中又发现了很多问题有一个问题是可以将球面变成一个抛物面，但是现实太骨感了，怎么让它变前期做了非常多的实验，考虑用怎么样的一个面板，三角形的，四边形的，来组成这样的一个球面还有中间要用什么样的方式拉，是用一个钢性的连接还是柔性的连接等等不同的方式，包括从运动，动力学，还有控制，耗能等等方面，我们集合起来，最后选择了一个方案，柔性的方案就是现在看到的 FAST 方案建设了一个直径 500 米的圈梁，底下有 50 个柱子在这圈梁上面搭一个索网，等于是用一个大大的圈梁兜住了一个网兜，可以想象一个柔性的网兜变成一个球面底下在每一个球面的网兜的节点处，都有一个下拉索往下拉，下拉索底下还会佩戴一个促动器所以说，要用一个网兜的形式把它编织成中间都是三角形的形状，而每个三角形的各个节点的地方还会有很多的下拉索把它撑开当整个撑开，受力控制之后，就会变成一个球面，同时受力变化之后就会变成一个抛物面

这个概念说起来的话，就像这样子一个动图，看起来也很简单，但是在设计中又发现了，这样子的一个索网里面用到了 6000 多根钢索，每一根钢索大概 11 米的长度，需要在 500 兆帕的应力幅循环次数 200 万次才能够满足使用要求但是在零几年的时候，这种标准是国际最高标准的 2.5 倍，没有任何一家厂家能提供这样的钢索在那个时候确实是非常犯愁的一件事情怎么办我觉得特别真实的一个事情，很多大型工程在建设过程中，同样见证着国家的制造能力的提升为了这个钢索，国内的厂家跟着我们一起做研发，实验了无数次的钢索，做了很多的实验，最后专门为 FAST 花了两年的时间研制了这样的钢索

这样才有了现在看到的反射面在这样的一个反射面里面，用到了一个直径 500 米的圈梁，里面用到了 6670 根主索，节点上有 2225 根下拉索，佩戴着 2225 根促动器仍然困难的地方是，建成液压站然后分布来进行液压，还是要单独的一根一根液压驱动器考虑到不可能因为一根促动器坏了之后我们就不工作，所以每一根促动器都会有一个油缸，这样子如果有任何的问题，只影响一个节点后面还会去找，到底促动器的某一根坏了之后，会不会影响整体的一个变形，变形精度能不能满足要求

这是促动器，现场看到的促动器的照片，设计非常的好，建设更美这是促动器的一个图，你看底下的一个个基墩这样排过去，每一个会有个编号在野外的建设中，从我们的设计单位，制造单位，建设单位，包括我们的测量单位一起来合作，把这些我们觉得很美好的一个设计变成了一个现实

还有一个在 FAST 中应用的很有意思的，经常提到的并联机器人先看看这一个视频用六根绳索要牵引一个馈源，我们是用六根绳索通过受力的一个设计，让它牵引到 140 米的高空中来进行运动，可以大范围的 200 米范围之间运动同时舱里面还会有一个并联机器人，来实时进行运动，有点像一个机头，怎么动它底下都是能够保证它的精度的而这两个配合在一起的精度，就可以在 200 米的范围之内达到十毫米小球的控制精度了在 FAST 介绍中，经常都会说到并联机器人

下面说说我们的接收机FAST 建得再漂亮，看起来再宏伟，你最终是为了接收信号而射电信号怎么接收，就需要有接收机，刚刚提到的并联机器人底下就放着很多接收机这也是一个很有意思的点，刚刚开始设计的时候会用九套接收机，频段从 70 兆到 3G 赫兹，但是在十几年的过程中会有很多的变化后来我们跟国外一起合作，做了一个低频宽带接收机，覆盖了我们原来三套接收机进行了很多的一些设计的重组，因为整个的尺寸还有要求等等都不一样，经历了很多折腾，折腾完之后我们发现真好FAST 最早的一批科学成果都来于这个低频接收机还有一台接收机是在 L 频段，手机原来的频段，还有现在的航空也都在这个频段，1G 到 2G 的频段，是 FAST 现在发现最多脉冲星的频段

还有一个是测量，在野外的测量其实跟室内的不太一样最早的时候觉得毫米级的测量能有多难，随便一个全站仪之类的都是亚毫米级或者更高精度的测量精度了但是到室外就完全不一样了，室外的话会有大气的影响，各方面影响会更多，然后会发现太难了然后做了各种融合 GPS，然后还有惯导，包括全站仪，各种测量各种融合来进行做居然做到了绝对精度一毫米，这也是世界上最高的一个测量精度因为有了这样的测量精度来保证，现在 FAST 的定位精度达到了十毫米的量级，而反射面板经过了这种实时标定的话，也是精度达到了四毫米的一个面型精度，这保证了 FAST 整个的精度水平

在 FAST 中，会有很多的很新鲜的东西，在建设过程中会见证很多奇迹的产生，而这些奇迹也很有意思的是，还应用在了很多其他的地方，见证了这些奇迹带给中国的制造业，还有整个设计能力的提升，也见证了这些提升带来的后面的一些影响比如说，我刚刚提到的 6000 多根钢索，它是为了 FAST 而生，后来它用在了港珠澳大桥的建设当中

FAST 提出是在上世纪 90 年代，已经 20 多年前了，那时候概念真是太大胆了在这过程中，从设计过程，到建设过程，其实很多的技术理论还很多空白，工业基础远远不够强大，其实就是靠着一股觉得怎么样都能建成，怎么样都能想办法那种猛劲来做的当然这里面除了自己团队 100 多号人以外，其实也要非常感谢国内的很多高校和研究所，以及很多的工业单位来一起去迈过了这些坎儿，一起实现了 FAST所以，FAST 的实现其实是有天时地利，更有人和

从 2016 年建成，到 2017 年开始调试，2019 年 4 月份的时候通过了工艺验收，所有指标都满足了最初的设计指标听起来用了 15 个月完成了调试好像很长，但其实国际惯例一般在四年左右，等于缩减了那么多的时间而且还一次性的达到了设计标准，所以在设计的验收，包括最终的国家验收中，都给予了非常高的评价

非常万幸的是，现在已经收获了 340 余颗的脉冲星，而且还发表了一些高水平的论文，更多的开始发表在国内的期刊上面，我们本身的目的就是为了国内的天文学家能够有一个自己的观测时长。

FAST 也得到非常多的荣誉，所以作为建设者来讲的话，我们会觉得很有意思最初像是被忽悠进了这个大坑以后，经过了天马行空的设想，到最终被誉为国之重器在设计之初的时候，我们参与项目之初的时候，只是会觉得臣服于它的设计来到这个团队中间很多次也会迷茫，觉得到底能不能建成这样一个望远镜，到最后建成，然后到它的整个的设计指标的达成的时候，觉得好像质疑声少了一些因为大家的目光是在这几年才接触到 FAST，所以没有听过那么多的质疑声，但是我们是在质疑声中长大的，就像总工姜鹏说的，我们做工程虽然讲究的是奉献，但是做好工程是尊严出成果了作为建设团队来讲，好像是已经算是完成任务了，但是其实我们的任务还更加的艰难和更加的繁琐

在国家验收完之后，在去年的一月份成立了 FAST 运行和发展中心，目的就是更好地运行好这样一个望远镜因为我们看到的是一个国之重器的建成，但是它之后如何运行其实会更加难我们有完善的服务链条，要服务科学家，天文学家，有自己的网站，还建立了专门的数据中心，这个也非常感谢院里大科学装置给予的支持，让我们能够在这几年对于数据中心有个很好的提升，因为观测时长比我们预期的要多得多去年在疫情期间，我们有两个月的一个大的整修期，在除掉这两月之后，几乎每一天的观测都在 20 小时以上，所以会有非常大量的数据也是因为这样的话，现在开始慢慢形成自己完善的一个数据中心

在未来，还能干些什么别人说你们做工程的应该差不多了，因为有了这样的工程经验，还有这样子的一个设计的过程，还认为 FAST 还能做些什么，还能再做些什么总工姜鹏提到说，我们用 FAST 能不能试试雷达天文学这也是一个新兴的科学，它是说有个主动雷达去向天体发射信号，用 FAST—— 高灵敏度的这样一个望远镜来接收这些信号，从而来进行天体结构的一个分析，还有包括一些天体测距方面的研究同时我的同事们还正在做先进的接收机系统

在今年的年初，非常荣幸地得到了国家领导人的亲切的关怀，对未来的发展给予了很多的期望其实我们就是带着这样的期望，还带着小小的情怀，最初的初心，还在继续同事们都还在坚守在这里，十几年从刚刚毕业的学生，然后到现在 30 几岁，40 岁的中坚力量能够和他们一起工作，觉得很幸运，而且还一直坚守在这里而在未来的话，我们还将守护在 FAST，相信 FAST 会带给我们更多的科学发现，也期待大家和我们一起期待新的科学发现

演讲者:姚蕊

文字整理:猫撸火锅

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