全球最大射电天文望远镜阵列首台中频天线正式吊装

宇宙中的星系历经了怎样的演化？地外文明是否真的存在？自古以来，人类对浩瀚宇宙的好奇与探索从未停止。而中国牵头研制的国际大科学工程平方公里阵列射电望远镜项目（以下简称SKA项目），或将给出答案。

9月20日，SKA中频天线在中国电科网络通信研究院测试现场正式吊装。这是SKA进入建设阶段以来建成的首台天线，也是继2022年底，科技部联合SKA天文台，成功举办SKA中频天线结构实物贡献协议线上签署仪式后，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”，为国际天文领域再做重要贡献。

洞悉宇宙奥秘的“地球巨眼”

据了解，国际大科学工程平方公里阵列射电望远镜（Square Kilometre Array，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。它之所以命名，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的台址位于澳大利亚、南非及非洲南部8国，在约3000公里的广袤荒野中，将建设约3000面天线，组成一平方公里之大的“地球巨眼”，它静伏于地球表面，观测宇宙深处最神秘的声音。SKA天文台宣传外联部主任William Garnier介绍称，SKA作为人类史上建造规模最大的射电望远镜，建成后将成为地球上最大、最先进的科学设施，比目前最大的射电望远镜阵列灵敏度提高50倍，巡天速度提高10000倍。

“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，如将探测宇宙、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，它还将致力于揭示和回答关于‘基本力’问题。”中国电科首席科学家郑元鹏向《环球时报》记者介绍称。

汇聚创新“结晶”实现“听音辨位”

作为人类探寻宇宙样貌的“地球巨眼”，SKA要获得对宇宙目标的“精准画像”，除了得天独厚的站址条件外，SKA中频天线更是集多种关键技术于一身，是科技人员的“匠心之作”。

天线要实现准确地“听音辨位”，就需要具有较高的灵敏度和指向精度，而且还要具备高电磁屏蔽能力，屏蔽电子设备的电磁辐射干扰，让天线更加专注于宇宙目标。

“SKA天线在天线效率与波束变形、指向精度、电磁屏蔽与电磁兼容等天线核心关键指标上，提出了极高的要求，带给设计与研发的挑战是前所未有的。SKA中频天线结构项目总设计师杜彪介绍称，为满足高电磁兼容性和高指向精度的世界性技术难题，项目团队对伺服控制系统设计、动态仿真、标校、调试、测试方法和测试验证等一系列关键技术开展攻关，完成了高电磁兼容性伺服控制系统的设计、加工和集成工作。”

据介绍，SKA中频天线的伺服控制系统需要满足比我国的国家军用标准低约80dB要求的电磁兼容指标，才能实现其高灵敏度观测。同时，采用全数字高精度伺服驱动控制设计及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，分布在上千公里范围的几千面天线将精确地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。

由于SKA中频天线中心区域阵列建在南非卡鲁地区（干旱台地高原），天线的运输、集中建设、运行、后期维护等都是技术人员需要重点考虑的问题。

“针对批量化建设、沙漠环境安装集成以及使用维护的特点，为了便于运输与组装，我们对天线反射体、座架、方位俯仰机构和轴承进行了模块化设计，各模块就像一块块积木部件一样易于拆装。驱动器、电机、减速机等结构被设计为现场可更换单元，在现场随时可换，无需返场维护更加方便设备维护。”SKA中频天线结构项目负责人王大为告诉《环球时报》记者。

探寻技术极致

SKA中频天线是一台15米口径的赋形双偏置格里高利天线，天线反射体是由主反射体、副反射体、换馈机构以及支臂构成。

“天线主反射体采用了高精度空间网架结构和三角形铝合金面板，这样更易于实现高精度，也便于维护和快速安装。”SKA中频天线结构项目设计师杨晋蓉说。整个天线的主反射面是由66块不同曲率的铝合金三角形面板组成的六边形空间网架结构。这66块面板的曲率各不相同，所以需要制造66个专用的模具。为了保证精度要求，团队需要在成形时让面板与模具尽量贴合，经过3个多月的艰难攻关，他们最终摸索出了一种有效的成型工艺，极大优化了面板结构和成形工艺参数，从而实现了大面板的精密成形。“我们的面板精度达到了0.03—0.1毫米，面形精度优于一百微米，还不及两根头发丝的厚度，这代表了国内面板设计与制造的最高水平”。SKA中频天线结构项目设计师杨晋蓉告诉《环球时报》记者。

高精度要求的背后，是每一个安装环节的极致精密。中频天线的背架采取的是空间网架结构，它的特点是易于拆装，而且整体重量较轻。背架采用螺栓球与拉杆螺连的方式安装，一面天线上共有100余个螺栓球，300余根拉杆，更考究的是，这100余个螺栓球，上面的螺孔数量不尽相同，最多可达12个，而且每个螺栓球上的各个螺孔角度都是唯一的。也就是说，每个螺栓球在15米×18米×3米的网架中的位置是唯一的，每个螺孔装哪根拉杆也是唯一的。

如此精密的位置要求，有哪怕一颗小米粒大小的误差，也会装不上去。为快速、精确完成安装与拆卸，工艺师们经过几十次试验，构建了4个计算模型，反复研究装配流程，历经两个多月才完全掌握最佳安装方法。SKA中频天线结构项目工艺师王建永介绍说，“那段时间，脑子里全是螺栓球和螺杆，整天都琢磨，连做梦都想着。”

为了找到技术“最优解”，团队在未知中向前摸索。

天线底座的内部有一个设备舱，用来安装望远镜所有的电子设备。由于设备运行会产生电磁辐射，为了降低这些辐射对天线的影响，设备舱需要有较强的电磁屏蔽性能。“这是一个非常大的挑战。”电磁屏蔽舱研制技术负责人窦玉超介绍称，“这个空间不大，里面容纳了非常多的设备。考虑到天线是在沙漠环境中工作，要留通风孔用于散热，还要留进出电缆的通道，人维护的空间，无论是如何布置空间，还是如何实现电磁屏蔽性能，都是很难完成的任务。”

团队反复论证，结合每台设备的功率、发热量等，进行合理布局。大的方案调整有四五次，微调有几十次，历时一年才找到了最优方案。

“SKA中频天线建设任务，是高质量推动我国参与SKA履约的一项重要进展。我们将继续深化国际交流合作，加强与各方通力配合，为SKA大科学工程建设贡献中国智慧和中国力量。”中国电科网络通信研究院党委书记徐小刚称。