SKA中頻天線

7月31日,，中方向平方公里陣列天文臺（SKAO）實物貢獻的首批平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）中頻天線結(jié)構(gòu)在石家莊中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院完成出廠驗收,。科技部,、河北省人民政府,、中國電子科技集團相關(guān)負責人,、射電天文領(lǐng)域有關(guān)專家現(xiàn)場督導檢查中頻天線結(jié)構(gòu)驗收工作并見證天線出廠發(fā)運,，按質(zhì)按期交付,。

按照2022年中方與SKAO簽署的實物貢獻協(xié)議，SKA中頻天線結(jié)構(gòu)任務(wù)由中方團隊牽頭,，通過國際大協(xié)作共同研制建設(shè)。這是我國在SKA中承擔的首個,、也是SKAO目前最大的單筆實物貢獻任務(wù),。據(jù)悉，中方實物貢獻的首批SKA中頻天線結(jié)構(gòu)出廠發(fā)運后,，將抵達南非卡魯?shù)貐^(qū),，在SKA中頻天線臺址進行現(xiàn)場組裝測試。后續(xù)，SKA中頻天線結(jié)構(gòu)將進入批量生產(chǎn)建設(shè)階段,，中國制造的SKA中頻天線將矗立在南非大地,，“聆聽”來自宇宙的聲音。

共建：人類認知宇宙的前所未有的國際大科學合作

SKA始于上世紀九十年代初,，是有史以來在建的最大綜合孔徑射電望遠鏡,，是多國合作、共同出資的國際大科學工程,。全球約20個國家上百個大學和科研機構(gòu)的天文學家和工程師參與項目研發(fā),。SKA組陣后，總接收面積將達到一平方公里,，相當于140個足球場大,。SKA是人類認知宇宙的一次前所未有的大科學合作。

“建成后的SKA將為人類認識宇宙提供重要機遇,，將在探索星系的起源與演化等領(lǐng)域作出重要貢獻,。作為劃時代的射電望遠鏡，SKA在尖端技術(shù)的支持下,，有望對社會,、科學及其他領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。”SKA中頻天線結(jié)構(gòu)項目負責人王大為表示,。

SKA是科技部代表中國政府參與的一項重要國際大科學工程,。“作為中頻天線結(jié)構(gòu)任務(wù)的一級承包方，我們負責64臺SKA中頻天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計,、制造,、運輸、集成和調(diào)試等任務(wù),。”中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院黨委書記徐小剛介紹,，“能參與這樣的國際大科學工程，為SKA貢獻中國智慧和中國方案,，既倍感榮幸又責任重大,。”

創(chuàng)新：關(guān)鍵指標上將取得巨大進步

分辨率、靈敏度和巡天速度是射電望遠鏡的三個關(guān)鍵指標,。靈敏度意味著宇宙中極其微弱的信號能不能被“看到”,，分辨率意味著這些微弱信號能否被“看得清楚”，巡天速度則意味著對天區(qū)的觀測效率,。

SKA中頻天線陣列與現(xiàn)有工作頻段相同的最先進望遠鏡相比,，在關(guān)鍵指標上將取得巨大進步。“為突破天線高靈敏度,、低波束變形等世界性技術(shù)難題,，我們針對SKA中頻天線——雙偏置格里高利天線開展了天線高靈敏度和高波束穩(wěn)定度光學設(shè)計,、結(jié)構(gòu)保型優(yōu)化設(shè)計、高精度建模和仿真分析,、高精度裝配測量和調(diào)試方法等一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),。”SKA中頻天線結(jié)構(gòu)項目總設(shè)計師杜彪說。

矯正：讓天線進化出“火眼金睛”

“從零開始”是SKA伺服系統(tǒng)設(shè)計師張一凡的真實寫照,。影響SKA“視力”是否精準的指標之一,，便是SKA指向精度，而滿足這項指標是前所未有的技術(shù)難題,，這對他來說也是新標準,、新挑戰(zhàn)。SKA指向精度需要通過動態(tài)標校來驗證,，張一凡要做的便是將已有的技術(shù)靜態(tài)標校變?yōu)閯討B(tài)標校,。“我們不僅面臨技術(shù)難題，還有時間要求,，從方案構(gòu)思到方案定版,，只有一個多月的時間。”冥思苦想,、廢寢忘食是他那時的常態(tài),。

他與指向精度較真、死磕,，埋身于國內(nèi)外資料,，寫方案、指導實驗,、分析結(jié)果,、更新方案，如此循環(huán)往復,，“滿足指標要求了,！”天線的總盲指誤差分布圓的直徑從指標要求的36角秒達到了33角秒，張一凡不僅滿足了既定指標要求,，甚至還超越了標準,。那一刻，喜悅爬上了他的面頰,，因為他知道每一次的指標靠近,，都意味著宇宙中極其微弱的信號能夠被“看得更準”。

匠心：另辟蹊徑完成“拼圖”

天線能夠看得更準的底氣,，不僅是通過軟件的保障,，還有來自天線結(jié)構(gòu)提供的“安全感”。SKA天線結(jié)構(gòu)安裝實施負責人李鵬,，平日的“拼圖游戲”之一,，便是完成SKA天線中支撐天線反射面板的骨架結(jié)構(gòu)的安裝。而這,，卻是一場考驗耐心,、細心和責任心的“高難度游戲”。

“為了在運動中克服重力和風的作用,，保持骨架形狀精度,，每一根拉桿的位置和尺寸都經(jīng)過了優(yōu)化設(shè)計，每個球節(jié)點的形狀和位置是獨一無二的”,。“游戲”目標是最終確保骨架結(jié)構(gòu)所支撐的面板精度穩(wěn)定,，數(shù)據(jù)精確。游戲內(nèi)容是在規(guī)定時間內(nèi)拼接好天線背部骨架的300多根拉桿,、100多個螺栓球,。每根拉桿通過螺栓球連接，每個球上一般都有7-8個的孔,，多的有12個孔,，每個孔都分別用來連接一根拉桿。“做這件事的時候,，一定要負責,，細心！負責,，細心,！”團隊一開始的拼接方案是由單人按順序先后將一根根拉桿拼裝成一個個整體組件，再將組件們拼裝成完整的天線骨架結(jié)構(gòu),?？蓽y試結(jié)果卻不盡如人意，面板精度不完全穩(wěn)定,?？梢磺卸际前凑辗桨钙囱b的，到底是哪里出了問題,？眼看距離交付節(jié)點越來越近,，李鵬帶領(lǐng)團隊將一個個拉桿拆卸下來，在以往結(jié)構(gòu)安裝經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,，創(chuàng)新了安裝方法：先把桿的一頭擰上螺栓球,，使用特定工具增加一定力矩以保持螺栓平衡，再將其他拉桿擺在預設(shè)位置,，幾個人同時擰上螺栓球,，增加相同力矩，保證每一個拉桿的力矩精準到位,，如此動作反復,，直至拼裝成一整個骨架結(jié)構(gòu),，再由吊車完成吊裝。“面板精度穩(wěn)定”,，勝利的聲音縈繞在李鵬的耳畔,。

迭代：先進算法繪制高精度結(jié)構(gòu)

“天線結(jié)構(gòu)作為SKA的關(guān)鍵組成部分，其設(shè)計標準極為嚴格,，需滿足高精度,、大尺寸等要求。在我國,，此前尚無方案能夠完全達到這些高標準,。”SKA力學仿真分系統(tǒng)負責人楊豐福說。在研發(fā)過程中,，概念設(shè)計,、初步設(shè)計、詳細設(shè)計以及工程驗證等多個階段都能看到楊豐福的身影,。一開始,，按照“常規(guī)操作”得出的仿真設(shè)計并不能滿足指標要求，項目進入瓶頸之時,，他決定重新設(shè)計,，巧妙地融入了拓撲優(yōu)化的先進算法。在接下來的2至3周的時間里,，他忘記了時間,，幾近瘋狂地計算、優(yōu)化,。每一次細微調(diào)整的背后,，都得益于楊豐福的頭腦風暴，這邊查閱資料,，那邊即刻開始付諸實踐,，經(jīng)過成百上千次的細微調(diào)整和迭代，終于,，在很平常的一天,，很日常的一次嘗試后，他電腦上的數(shù)據(jù)從“無解”變?yōu)?ldquo;有解”,。“原來,，獲得正解只需要一瞬間！”楊豐福說,，一個成功的瞬間是由無數(shù)個潛心鉆研的日日夜夜組成的,。