中国FAST天眼中国最大的射电望远镜镜

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2024-04-06 12:00 标签： 中国最大的射电望远镜
雷达、通信、导航、天线、射电望远镜……这些高精度、高性能复杂电子装备的设计与制造水平，是国家整体科技水平与实力的重要体现。中国工程院院士、西安电子科技大学教授段宝岩，长期从事电子机械工程学科的教学与科研工作，致力于高精度电子装备机电耦合技术这一交叉学科研究，开辟了我国电子装备机电耦合研究的新领域，其成果已成功应用于探月工程、神舟飞船、深空探测等国家重大工程中，特别在“中国天眼”500米口径球面射电望远镜（FAST）的创新设计中发挥了关键作用。在近日举行的国家科学技术奖励大会上，段宝岩院士牵头完成的“高密度柔性天线机电耦合技术与综合设计平台及应用”项目荣获2020年度国家科学技术进步奖一等奖。对于这项成果的鉴定意见是，“关键核心技术自主可控，项目成果总体居国内领先、国际先进水平，其中多场耦合理论模型、非线性结构因素对电性能影响机理居国际领先”。近日，围绕机电一体化、工程科技拔尖人才培养、高性能复杂机电装备创新发展问题，我们专访了段宝岩。文丨《瞭望》新闻周刊记者 许祖华 刘苗苗本文转载自瞭望客户端，原文首发于2021年12月25日，原标题为《中国工程院院士 段宝岩:让国之重器“耳聪目明”》，首刊于《瞭望》新闻周刊2021年第52期。1开辟我国电子装备机电耦合研究新领域问：请你介绍下什么是机电一体化。段宝岩：机电一体化（Mechatronics）概念，最早出现于20世纪70年代，其英文是将Mechanical与Electronics两个词掐头去尾组合而成的，体现了机械与电磁（气）技术不断融合的内涵演进和发展趋势。高性能复杂机电装备的机电一体化设计从出现至今，经历了机电分离、机电综合、机电耦合三个不同的发展阶段。从机电分离、机电综合到机电耦合，机电一体化技术发生了鲜明的代际演进，为高端装备设计与制造提供了理论与关键技术支撑。而复杂装备设计与制造中的机电耦合技术，则进一步体现为机械、电气、电子、电磁、光学、热学、控制等多学科的交叉融合，涉及多物理场、多介质、多尺度、多元素的深入研究。显然，以机电耦合为突破口的设计与制造技术必将迎来更大挑战。一般而言，复杂机电装备主要包括两大类：一类是以机械性能为主，电性能服务于机械性能的机电装备，如大型数控机床等加工装备，以及车辆、化工、船舶、农业、能源、挖掘与掘进等行业重大装备，主要是运用电子信息技术来改造、武装、提升传统装备的机械性能；另一类则是以电性能为主，机械性能服务于电性能的电子装备，如雷达、通信、计算机、导航、天线、射电望远镜等，其机械结构主要用于保障特定电磁性能的实现，被广泛应用于陆、海、空、天等各个关键领域，发挥着不可替代的作用。这两大类装备从广义上讲，均属于机电结合的复杂装备，是机电一体化技术重点应用的典型代表。伴随着机电一体化技术的发展，相继出现了诸如机－电－液一体化、流－固－气一体化、生物－电磁一体化等概念，虽然说法不同，但实质上基本还是机电一体化，目的都是研究不同物理系统或物理场之间的相互关系，从而找到提高系统或设备整体性能的有效途径。问：今天许多创新成果出现在交叉学科，请你介绍下电子机械工程这一交叉学科的特点和你们的成果创新点。段宝岩：电子机械工程是学科交叉形成的一门小学科，但作用和意义重大。在电子机械工程领域，对低频段装备而言，机械与电磁（气）间的矛盾没那么尖锐，而随着电子装备向高频段、高增益，高密度、小型化，快响应、高精度的方向发展，机电之间相互影响、相互制约的问题日益严苛起来。作为机电结合的电子装备，其机械结构不仅是电性能实现的载体和保障，且往往制约着电性能的实现与提高，故应进行机电耦合设计。遗憾的是，传统设计却是机电相互分离的，这导致电子装备研制的性能低、周期长、成本高、结构笨重，已成为长期制约电子装备性能提高的一个瓶颈，我们的研究旨在破解这一难题。1994年11月，我刚回国不久，就碰到我国要建造新一代大射电望远镜的重大项目。这个项目就是2016年9月在贵州落成启用、被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜，简称FAST。我们团队提出了光机电一体化创新设计，先后研制了一个5米、两个50米口径的缩比试验验证模型，重点突破了电性能与机械结构间的机电耦合、灵巧结构设计，馈源舱舱索柔性结构的精确力学建模和求解、舱索柔性结构系统控制，以及粗精两级调整系统的动力学耦合与复合运动控制等关键技术，为500米口径球面射电望远镜的工程实现奠定了坚实的技术与工程基础。这一创新设计以6根大跨度的柔索驱动设计方案代替美国阿雷西博望远镜的刚性背架支撑结构方案，以软件代替硬件，结构形式大大简化，不仅使馈源舱及其支撑驱动系统的自重由阿雷西博型的上万吨降至30吨，且实现了馈源的毫米级动态定位精度。轻型索拖动系统作为FAST三大自主创新中最为关键的一个，具有颠覆性，在世界同行眼里被誉为“变革式创新”。进入新世纪以来，我们在长期致力于电子装备多学科交叉融合研究的基础上，开辟了我国电子装备机电耦合研究的新领域。在这个崭新领域里，先后建立了电磁场、结构位移场与温度场间的场耦合理论模型，揭示了非线性机械结构因素对电性能的影响机理，提出了基于多场耦合理论模型与影响机理的机电耦合设计理论与方法，形成了一种初步的学科体系。具体到此次获得国家科学技术进步奖一等奖的项目“高密度柔性天线机电耦合技术与综合设计平台及应用”，建立了高密度柔性天线机、电、热多场耦合理论模型，探明了非线性机械结构因素对其电磁性能的影响机理，突破了力电耦合、高效热控、控形控性等关键技术，研发了我国首个集电磁、结构、热于一体的高密度柔性天线综合设计平台，开辟了我国天线技术研究的新领域，引领了我国高性能电子装备的跨越式发展。成果被成功应用于我国火星探测与探月工程的地面测控大口径天线、首部静电成型薄膜天线、“中国天眼”等多部重大装备与工程中，产生了显著的经济、社会与国防效益。最近十年来，伴随着国家加快发展航天事业、建设航天强国的脚步，我们团队又进一步深化了机电耦合设计思想，为星载天线机电耦合设计的工程应用奠定了理论基础。特别是提出的大型空间可展开天线的系统设计理论与方法，进一步拓宽了结构与多学科优化的范畴。2培养工程科技拔尖创新人才问：如何将科研与学科建设和人才培养有机结合？段宝岩：人才培养、科学研究是大学的重要职能。通过科研提升学科建设和人才培养水平，为国家发展提供源源不断的高水平人才，是大学尤其是研究型大学义不容辞的责任。而如何形成中国特色的电子机械工程学科人才培养体系与教师队伍，则成为电子机械工程学科发展的根本性问题。当前，随着新型电子装备快速发展，我国对电子机械工程的学科建设与人才培养提出了越来越高的要求。同时，新技术突破也在催生新的人才培养模式，其中两个特点尤为突出，一是更加重视理论和工程实际结合，二是更加注重跨界融合与交叉渗透。因此，我们要求学生走出象牙塔，走向工厂车间，走向项目工地，因为那里有多学科汇聚的案例，是人才成长最快的场域。这种系统化的思维方式能将教学与实践、继承与创新紧密地联系在一起。以此次获奖项目为例，它涉及力学、机械学、电磁学、热学以及控制科学与工程等多学科，构成了15个研究专题，参与的校内外单位达8家，大家集思广益、协同作战，最后达成了团队成长和项目精进相得益彰的效果。此外，在人才培养方面要注重传承，在固守本体的基础上再去创新。我从导师身上就学到很多终身受益的品质，比如持之以恒，踏踏实实做事等。而且要把基础打牢，只有打牢基础才能不断取得创新和突破。我对学生做科研的要求是，要了解这一专业领域的最新动态，了解国际前沿，围绕国家重大需求，和国家重大项目结合在一起，再去研究怎么攻克这些难题。坚持人才培养和科研相结合的模式，西安电子科技大学机电工程学院电子机械学科已培养出一大批奋战在一线的优秀博士、硕士毕业生，绝大多数服务于国家重点领域、重要行业。毕业生中的60%成为中国电子科技集团有限公司、中国兵器工业集团有限公司、中国航天科技集团有限公司等大型国企的技术骨干，30%进入了华为、中兴等行业知名企业。问：未来如何培养工程科技拔尖创新人才？段宝岩：培养工程科技拔尖创新人才需要突破传统范式，更加注重创新思维、工程能力、潜质素养的培养。能力培养的重点在于突破常规、发现问题、迸发灵感、破解难题；素质养成的重点在于具有广博视野、缜密逻辑、强烈的好奇心、对探索新事物保持极大的兴趣等。此外，还应具备卓越的人文素养及突出的交流组织能力，以适应人工智能发展趋势下工程科技创新的新变化、新要求。3让高端电子装备“强筋壮骨”问：怎么看我国高端电子装备的发展现状？段宝岩：高端电子装备制造是前沿技术、新兴产业、高端装备制造业的深度交叉融合，在国民经济发展领域、国防军事装备领域具有广阔的应用前景。我国高端电子装备制造，在芯片、软件、关键传感器及控制器的部件上目前还受制于人、“缺芯少魂”，在材料、制造装备、工艺、测试保障上与世界发达国家还有较大差距、“筋骨瘦弱”，因此，亟待整体提升高端电子装备制造能力和水平。首先，应着眼长远，高度重视高端电子装备的集成攻坚，进一步突出其战略意义。前沿、颠覆性技术发明，往往是工业革命的开端，而从技术应用到产业发展、生产力提升的关键就在于装备制造。增强和提升数字化、网络化、智能化自主装备制造实力，不仅是当下迫切需要而且事关长远发展。其次，在高端装备制造业、战略性新兴产业发展上需进一步突出高端电子装备的支撑引领与辐射带动作用。高端电子装备，犹如装备的“大脑”和“神经系统”。集中力量解决好制约高端电子装备制造能力提升的瓶颈问题，有利于整体提升我国装备制造的信息化、智能化程度。最后，应采取多元化、多样化发展模式，推进高端电子装备制造在经济、科技等多领域的渗透与深度融合。一些关键共性技术的突破和系统制造能力的提升，既需要基础理论支撑、重点研发支持，也需要大量资金投入、市场机制统筹。因此，以多元化、多样化模式发展高端电子装备制造，是融合经济、科技等多领域需求，促进系统化、协同化、多体系创新发展的必需，有利于解决我国高端装备制造受制于人的瓶颈。（来源：”瞭望智库“微信公众号)中国青少年科技辅导员协会提醒广大科技辅导员戴口罩 勤洗手 少集会不给病毒可乘之机！原标题：《我们为"中国天眼”(FAST)三大自主创新贡献了最为关键的一个！》阅读原文
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中国天眼FAST（500米口径球面射电望远镜）又立一功！近日，由中国科学院国家天文台等单位科研人员组成的中国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队利用中国天眼FAST，探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据，表明我国纳赫兹引力波研究已与国际同步达到领先水平。相关论文在线发表于我国天文学术期刊《天文与天体物理研究（RAA）》上。人类终于站在了期盼已久的纳赫兹引力波宇宙观测窗口前。那么，FAST是怎么探测到引力波的？纳赫兹引力波探测与获得2017年诺贝尔奖的引力波探测有何不同？此次研究成果有什么重大意义？听中国科学院计算机网络信息中心的张文韬怎么说。“时空的涟漪”助寻宇宙暗物质想知道引力波为何物，得先从一百多年前说起。1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，这个全新的理论告诉我们，引力是时空弯曲产生的结果——时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。简言之，广义相对论里的引力不是“力”，是时空的一种弯曲效果。我们可以把时空想象成平静的水面，有质量的物体能让时空本身发生弯曲。如果宇宙中有质量的物体发生剧烈的加速运动，如超新星爆发、两个巨大星体发生碰撞、两个致密星体并合（中子星与黑洞这类星体的碰撞与并合），就像是往平静的水面扔进了石头，让时空本身泛起“涟漪”。“涟漪”携带着波源天体激烈动荡的信息和关于引力本质的线索，以光速向远处传播，这种时空“涟漪”就是引力波。宇宙中发光的物质非常少，大部分（95%左右）都是真正的、永恒的“黑暗”——暗物质和暗能量，不管造多么先进的望远镜，这些“黑暗”人类都看不到。而引力波给人类提供了一种探索宇宙的新方式，让我们知道在看不到的宇宙空间里发生了什么。引力波可以直接跟踪宇宙中有质量物体的运动（不管是否可见），利用引力波观测，我们就能够捕捉到“黑暗”的蛛丝马迹。比如，2015年人类第一次探测到的引力波GW150914，就是距离地球10亿光年之外的一个遥远星系中两个恒星级黑洞发生了并合。在以前，人类能知道这个过程，是不可想象的。引力波不但大大扩展了我们对宇宙的感知，对物理学也有重要意义。通过对引力波的探测，可以检验目前的引力理论，检验人类对时间和空间的基本认知是否正确。探测引力波需要不同的“尺子”探测引力波的基本原理是“引力波所经过的区域，空间的长度会被周期性地拉伸和收缩”。换言之，引力波经过时，与之垂直的平面会处于不断伸缩的状态：横向收缩，纵向就拉伸；横向拉伸，纵向就收缩。空间本身的形变会让置身其中的物体也跟着形变。一旦探测出这种形变，就能说明观测到了引力波。也许有人会问，美国科学家不是已经借助LIGO（激光干涉引力波天文台）探测到引力波，还获得诺贝尔奖了吗？为什么还需要其他装置（如FAST）来探测呢？答案是：不同的天文事件会产生不同频率的引力波，需要不同的“尺子”来测量。引力波的频率越低，波长就越长，所以承担测量功能的“尺子”也越长。频率在10-1000赫兹波段的引力波由恒星级双黑洞、双中子星并合产生，这些波源离地球相对较近，通过前文提到的激光干涉引力波天文台可以探测到，它的“尺子”是两条相互垂直、长度达4公里的管道，激光在管道中穿行。具体来说，在引力波的影响下，激光走过的“路途”长度会发生规律性的变化，而激光干涉仪能把引力波导致的长度变化，转变为激光干涉结果的光强变化，因此可以通过测量激光干涉结果的变化来捕捉引力波。把同样原理的激光干涉装置放到天上，“尺子”可长达数百万公里，捕捉毫赫兹频段的引力波（由双星绕转、大质量黑洞俘获致密星产生的）。欧洲的LISA计划和中国的太极计划、天琴计划等空间引力波探测装置，都是用卫星组成干涉仪网络进行长距离干涉测量的。那么，想要探测到宇宙中更远处由超大质量双黑洞、宇宙弦引发的更低频率引力波（也就是周期在年量级的纳赫兹引力波），就需要更长的“尺子”了。目前已知的唯一探测手段是利用大型射电望远镜观测宇宙中的脉冲星，很多人可能无法想象，中国天眼FAST探测引力波时利用的脉冲星测时阵列其实有银河系那么大。至于极低频段（10-16赫兹）的引力波探测，就要利用宇宙微波背景辐射了，比如南极BICEP2、西藏阿里观测项目等。所以，各种探测装置分别探测不同的引力波信号，彼此互为补充，不能相互替代。探测纳赫兹引力波有多难对频率低至纳赫兹的引力波进行探测，可以观测更深远的宇宙，有助于天文学家理解宇宙结构的起源，探测宇宙中最大质量的天体即超大质量黑洞的增长、演化及并合过程，也有助于物理学家洞察时空的基本物理原理。当前，想要探测纳赫兹引力波，必须利用脉冲星，准确地说，是一群脉冲星。脉冲星是一类磁场强且高速自转的中子星，它的自转很稳定，每隔固定的时间就会发出一个脉冲信号。如果不受其他因素影响，那么我们在地球上就能稳定地收到这种信号。脉冲星的脉冲到达地球的时间极其规律，而引力波所经过的区域，空间的相对长度会被周期性地拉伸和收缩，这自然催生了一种设想：如果一列引力波经过了地球和脉冲星中间的区域，那么脉冲星发出的信号就会发生改变，从而改变该信号到达地球的时间。这样一来就很好理解了，只要观测到这种脉冲信号到达地球时间的变化，就等于探测到了引力波。这就是利用脉冲星测时（PTA）探测引力波的基本原理。为什么不能只观测一颗脉冲星来探测引力波呢？因为仅凭一颗脉冲星，我们不知道探测到的信号是引力波、脉冲星噪声，还是其他的假信号，必须利用多颗脉冲星相关的方法，来寻找相关信号以区分引力波和噪声。如果发现多颗脉冲星同时发生某种规律性变化，就可以证明探测到引力波了。其中，利用大型射电望远镜对一批自转极其稳定的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是纳赫兹引力波目前已知的唯一探测手段。纳赫兹引力波探测，在国际上是一个竞争激烈的领域，相关思想早在1983年便已提出。国际上的探测团组有北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）、欧洲脉冲星测时阵列（EPTA）、澳洲帕克斯脉冲星测时阵列（PPTA），以及印度脉冲星测时阵列（InPTA）、南非脉冲星测时阵列（SAPTA）和中国脉冲星测时阵列（CPTA）。但是，由于纳赫兹引力波引起的时空改变非常微弱，引力波的周期也达到了年量级（时空的改变以年度为单位）。对它的探测在物理尺度和时间尺度上都很“大”，不但需要造银河系尺度探测器（脉冲星测时阵列），还需要观测很长时间，才能把时间周期长达数年的信号给找出来。在此次中国天眼FAST探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据之前，国际上还没有一个团组得到过确切的探测结果。“天眼”拿到了什么关键证据2016年6月，中国科学院启动了纳赫兹引力波预研究，联合北京大学、中国科学院新疆天文台、云南天文台、上海天文台、国家授时中心、广州大学等多家相关单位组建了中国脉冲星测时阵列研究团队。2019年上半年，中国天眼FAST开展了试观测，由此拉开了探测纳赫兹引力波的序幕。不过，脉冲星测时阵列探测纳赫兹引力波的灵敏度强烈依赖于观测时间跨度，即灵敏度随着观测时间跨度的增长而迅速增加。NANOGrav、EPTA、PPTA利用各自的大型射电望远镜，已分别开展了长达20年的纳赫兹引力波搜寻。在这个领域，中国脉冲星测时阵列研究团队虽然是“后来者”，但以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势，弥补了时间跨度上的差距。中国天眼FAST是目前全球最大且最灵敏的射电望远镜，也是全球搜寻脉冲星效率最高的射电望远镜，截至目前，已发现740余颗新脉冲星。中国脉冲星测时阵列研究团队面对观测时间跨度远短于美、欧、澳3个国际团队的不利局面，充分利用FAST灵敏度高、可监测脉冲星数目多、测量精度更高的优势，长期系统地监测了57颗毫秒脉冲星，并将这些毫秒脉冲星组成了银河系尺度大小的引力波探测器，来搜寻纳赫兹引力波。团队自主开发独立数据分析软件，对中国天眼FAST收集的时间跨度3年5个月的数据进行分析研究，发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据。本次测量到的引力波特征幅度很小，约为4×10-15，这意味着，它造成的时空改变极其微弱。在距离上，1公里尺度引力波引起的扰动约为百分之一个氢原子大小；在时间上，千万年尺度上才变化1秒。也就是说，对纳赫兹引力波的探测，是在挑战人类精密测量的极限。本次关键性证据由4个国际团队分别独立获得、独立发表、相互印证，说明我国纳赫兹引力波探测灵敏度达到了与美、欧、澳相当的水平，从而同时实现此次重大科学突破。中国脉冲星测时阵列研究团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源，其他国际团队也无法确定。不过，这个问题将随着中国天眼FAST后续观测数据时间跨度的增加得到解决。由于中国脉冲星测时阵列研究团队现有数据时间跨度较短，所以数据时间跨度增长带来的效果会更明显，例如，如果数据时间跨度再增长3年5个月，中国脉冲星测时阵列研究团队的数据时间跨度将翻倍，而其他国际团队仅增长不到20%。未来将建成纳赫兹引力波天文台作为目前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜，中国天眼FAST将让中国在射电天文领域领先世界20年。从跟跑到领跑，这背后，是中国不断崛起的科技力量。未来我们还将看到中国天眼FAST进行扩展和升级，基于脉冲星测时阵列方法实现纳赫兹引力波事件的常规观测，从而建成纳赫兹引力波天文台，并开启更高灵敏度和更高分辨率的低频射电观测研究新纪元。2003年6月29日，一个中国的博士生前往澳洲，在那里开始了他利用脉冲星探测引力波的科研生涯。20年后的今天，当年的博士生已经成为中国脉冲星测时阵列研究团队的领军人物，利用中国天眼FAST发现了纳赫兹引力波存在的关键性证据，他就是李柯伽研究员。他的经历也许又一次印证了那句话：“FAST最大的意义是把人类的视野向前扩展了一大步，也让中国的天文学家第一次站在了人类视野的最前沿。”没有人知道中国天眼FAST还能给天文学理论带来怎样的贡献，但可以确定的是，它一定会有更多贡献。扫一扫在手机打开当前页面

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