中国“天眼”背后的故事：攻克多个技术难题
在“2016年北京市科学技术奖”获奖名单中，坐落在贵州黔南布依族苗族自治州、由中国天文台主导，北京市建筑设计研究院有限公司(BIAD)等单位参与设计的“500米口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获北京市科学技术一等奖。《工人日报》记者日前走进BIAD，探寻中国“天眼”背后的故事。
中国天眼FAST项目反射面主体支承结构设计负责人朱忠义告诉《工人日报》记者，这个直径500米、面积达30多个足球场大小的超级望远镜，在工程师的图纸上并非平板一块，而是由46万块三角形单元拼接而成。
据了解，这个构想起初是我国天文学家于1994年提出的，希望利用喀斯特洼地作为望远镜台址、建设可主动变位的巨型球面望远镜。中国科学院国家天文台南仁东教授组织国内外高校和科研院所进行了大量的研究工作，并主持了FAST的建造工作。
“由于其内置可移动变位的复杂结构索网系统，它的设计完全不同于一般的固定建筑，‘天眼’是可主动变位的巨型球面望远镜，精度控制要达到毫米级别。”朱忠义介绍说，“天眼”从预研到建成历时22年，由中国科学院国家天文台主持建造。2011年底BIAD受国家天文台委托，承担“天眼”反射面主体支承结构设计及反射面板与主体结构连接节点的分析工作，简单来说，就是研究如何完美“拼接”好这些复杂且琐碎的构件。
朱忠义说，承接这个项目之后，发现现实情况要比想象困难得多。“当初去贵州考察地形时，发现要把这个巨大的望远镜放在这块地质和地貌都很复杂的岩溶洼地并不容易。”他说，由于边界复杂，周围环境高度落差大。支承柱高度就得在3米至50米不等，造成“天眼”的组成部分——圈梁、索网和基础受力复杂，并且圈梁温度作用明显。
“天眼”设计对精度要求极为苛刻，如何克服地形和温差的不利条件就成了设计中的一个大难题。为了啃下这块硬骨头，项目团队不停地想对策改方案，最后提出将柱子与圈梁隔开，通过一个径向可动支座进行滑动释放。“就是用一种可动的支座连接柱子和圈梁，而不是简单地焊死，圈梁、索网受力和变形均匀，有利于望远镜调整角度。”朱忠义说，为了在均匀温度环境下作业，仅这一个测量和验算环节，就花费了4个多月的时间。
科学界有一句行话叫做“百米极限”，说的是口径超过百米的射电望远镜实现高精度是世界难题。为了做到高精度，就要保障索网精度，BIAD的工程师严格把关索网精度，6000多根钢索长度误差均不超过1毫米。这样，索网与圈梁牵固点位置精度也就有了保障。
高精度意味着高灵敏度。据介绍，“天眼”比美国Arecibo射电望远镜的有效接收面积扩大了2.3倍，灵敏度更是远远高于后者。“天眼”反射面还可以实时调整形态，成为世界上独一份的可主动变位望远镜。
地处深山，雨季绵长，蚊虫横飞，居住条件简陋……但在BIAD的工程师看来，不管条件多艰苦，只要能让世界看到中国制造和中国建造，看到有着北京设计范儿烙印的中国创造就来了精气神。BIAD总经理徐全胜说，职工的这种精气神与多年来BIAD注重科研创新人才的培养和输送有着密不可分的关系。
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