天眼追梦路|大锅|天眼|宇宙|射电望远镜|索网|追梦路

在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村大窝凼洼地中，有一口银色大锅宛如巨大的眼球直视天空，这就是中国500米口径球面射电望远镜工程，简称FAST。它还有个更响亮的名字：中国天眼。

贵州平塘的观天巨眼

贵州省平塘县克度镇的群山之中坐落这一个天文小镇，在这里有高大的天文时空塔，天文体验馆也总是游人如织，还有一座纪念“人民科学家”“天眼之父”南仁东院士的南仁东事迹馆。从小镇出发，驱车18公里，远远就能看到六座巨大的铁塔，它们是天眼的眼睫毛，名叫馈源支撑塔。支撑塔之中就是巨大的反射面，它是这个观天巨眼的眼底。反射面的边缘——也就是“眼眶”是巨大、坚固的钢结构圈梁，有约1.6公里，绕它行走一周需要40分钟。我们从上方俯瞰，六座支撑塔矗立在巨大的球面反射面的四周，仿佛是正六边形和内接圆。每个铁塔塔顶伸出钢索，悬吊着一个在反射面上方的装置，这个天眼的“眼球”名叫馈源舱。

我们的目光再次回到巨大的反射面，它是天眼的“视网膜”，由4450块反射单元组成，反射单元铺设在一个由6670根钢索编织的索网上，索网又挂在直径500米的圈梁上，圈梁由50根巨大的钢结构立柱支撑在地面上。索网下面有2225根下拉索固定在地面的液压促动器上，这些促动器就像眼窝中灵敏的肌肉，它们接受上位控制系统的指令，通过活塞杆的协同伸缩控制下拉索，进而间接调整索网形状，在500米口径反射面的不同区域形成直径为300米的抛物面。在反射面的中心底部有舱停靠平台，馈源仓的安装、维护、检测等都是停靠在这里完成。

中国天眼是一台射电天文望远镜，即观测宇宙发来的无线电信号的装置，本质上是一个巨型天线。由于宇宙尺度下无线电信号可近似认为是平行的，所以反射面越大，可收集的宇宙信号也越多，灵敏度和分辨率就会更高。抛物面形状的反射面能够将平行的无线电波汇聚到一点，所以我们日常所见的射电天文望远镜大多是一个抛物面的“大锅”，下面有机械回转装置使望远镜可以不断变换角度。但中国天眼明显不同，它依托天然洼地建造，500米直径的反射面不能采用机械回转，同时球形反射面也无法聚焦。对此以南仁东为代表的天眼科研团队创造性地采用主动变形反射面，在观测方向能形成300口径瞬时抛物面汇聚电磁波，在地球改正球差，实现宽带和全偏振。

中国天眼还独创性地运用了柔索支撑的馈源舱支撑系统，6根钢索驱动30吨重的馈源舱，实现了馈源系统轻量化。美国修建的同类型望远镜“阿雷西博天文台”采用刚性支撑系统，光三角形平台就重达300吨，整个馈源系统重量超过1000吨。相比之下中国天眼的柔性钢索支撑系统不仅重量大大减轻，也极大降低了对反射面的遮挡。

唯有雄心多壮志

1993年的世界无线电科学第24届联盟大会上，射电天文专门委员会专门组织了一场题为“第三个千年的射电望远镜”的学术报告讨论会，这个讨论会专门讨论了下一世纪射电望远镜的发展前景。被称作“天眼之父”的南仁东当时作为中国代表参加了这个会议，正是这个会议，在南仁东的脑子里催生了一颗梦想之芽。因为在当时，中国天文学家首先要面对的问题是——我们没有像样的射电望远镜。我们的天文学家想做一次天文观测，都得去借其他国家的望远镜；想用观测数据，得捡别人用过的。

那个时间，南仁东还在日本东京任客座教授。怀着回报国家的赤诚和描绘宇宙的初心，活跃在国际天文界的南仁东在上世纪90年代毅然回国，力主中国独立建造射电“大望远镜”。

20世纪90年代，国际上还在为新一代大型射电望远镜怎么建、在哪建争论不休，以南仁东为首的中国科学家却迎难而上，在明确了“独立自主建”“利用喀斯特地貌建”“技术不成熟就一边研究一边建”这三点后，提出建设新一代大型射电望远镜这一极富挑战、近乎天马行空的设想，并且得到了国家的支持。看似“不合理”现象的背后，是以南仁东等为代表的中国天文学家们，努力缩小与世界先进水平差距的迫切愿望和责任担当。

天文学是孕育重大原创发现的前沿科学，也是推动科技进步和创新的战略制高点。重大突破，装置先行。处在发展上升阶段的“朝阳学科”，谁提出问题，谁就掌握了科学发展的动向。尤其是对于天文学这样的实验科学而言，前人的理论研究走在了前面，后人的实验验证是关键，这就必须用到大科学装置。只有天天摸着望远镜做观测的人，才能发现前沿的问题。

2000年，中国提出的FAST/SKA工程概念方案与美国的ATA、荷兰的相位阵AAT、加拿大的主动反射面加球载馈源LAR、澳大利亚的luneburg透镜阵和柱面镜、印度的双预载荷抛物面天线PPD等一并进入国际SKA操作委员会的视野。中国的设计方案因为“造价较低；技术较为成熟；从望远镜的类型上看，它既非全可动，也非完全固定，在一定程度上兼顾两者之长；在主要技术指标上超过现有世界最大全可动望远镜1个数量级”而名列前茅。

树立目标不易，实现目标更难。第一个挑战就是选址。整个团队可供参考的只有几千张地质图，刚开始时只能从1:500000的地形地质图看起。首先从岩石的分布特征排除“窝”肯定不会出现的地理位置，然后再在其他区域寻找可能适合望远镜安家的“窝”。然后再精确到1:10000，在一张张茶几大小的图上，沿着密密麻麻的等高线“找圈圈”，并做好标注。就这样从8000多幅图中，找出一万多个圈圈，花掉了一个科研团队整整三个月时间。除了它得是个“窝”，还得苛刻地评价“窝”内的岩体结构、水文情况、长短轴比例、挖填方率是否合适，还有“窝”口的闭合情况、几何形状是否达标，以及整个“窝”的地质灾害、地震风险、气象条件、无线电环境等是否满足条件。除此之外，望远镜的自身安全也很关键。一旦“窝”底的排水系统堵塞，山体中的水将无法流入地下暗河，望远镜就有被淹没的危险。当时年近50岁的南仁东带着团队与300多幅卫星遥感图，风餐露宿地奔走于贵州大山深处，12年时间里，他们几乎走遍了贵州所有的喀斯特洼地。

到了2003年7月，项目团队从一万多个“窝”中筛选出743个，形成了“窝”的正式备选洼地数据库。而这743个洼地，都要实地观测，那些被列为优选的，还得走上很多次。好在这七百多个洼地数据库中有一个大窝凼。不管时间过去多久，他们都能清晰地记得和它最初相遇的那一刻。那一刻他们经历了只有一见钟情时才有的心动。那一刻，是他们阅尽了几百个窝凼之后的巨大惊喜——“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”。

那一刻，南仁东喜不自禁地喊道：“这里好圆！”但是，圆，并不代表就适合FAST，选址最终确定还需要严谨的计算。

2004年2月至2005年2月，贵州省无线电管理委员会和贵州省气象局对大窝凼进行了长达一年的无线电环境检测和气候环境监测。与此同时，在“洼地三维仿真和台址优选系统”的支撑下，通过专业的定性分析和定量计算，科研团队给出了首批FAST核心备选台址，推荐中排名第一的“窝”，就是大窝凼。

大窝凼不仅地形与FAST的球面设计十分贴合，而且周围排列的山峰，还可以有效地作为FAST圈梁构架的支撑基础；同时，它还有优良的排水功能，可以保障雨水向地下渗透，从而避免了水在表面淤积而造成对望远镜的腐蚀和损坏。其次，大窝凼在5千米半径内没有一个乡镇，25千米半径内只有一个县城，四周山峰环绕，又能有效地避免电磁波干扰，是一个理想的宁静区。再加上它从未有过自然灾害的历史记录，大窝凼，已经证明了自己是FAST独一无二的选择。最终得出这个结论的那一天，南仁东忍不住喜极而泣。

2007年，中国天眼5公里范围被划定为核心区，30公里范围被划定为电磁波宁静区，克度镇和塘边镇共1410户6633名村民搬出大山。如果没有国家的大力支持和统筹安排，没有集中力量办大事的制度优势，可能就不会有今天的“中国天眼”。

2008年12月26日，FAST终于迎来了它的奠基日。这天，由中国科学院与贵州省人民政府合建的、国家科教领导小组审议确定的国家九大科技基础设施之一——500米口径球面射电望远镜（FAST），在贵州省平塘县克度镇大窝凼举行了隆重的奠基典礼。

功不唐捐终入海

2009年，博士毕业生姜鹏加入中国天眼团队，与南仁东等科学家共同解决中国天眼建设过程中的种种难题。首先要面临的问题就是主动反射面方案的取舍。经过反复研究，大家决定采用柔性索网的方法进行建设，这样通过改变形状就能完成球面与抛物面的转换。但众多的问题也随之而来：索网是挂在周围的山体上，还是单独建一个环梁结构？是采用三角形划分网格还是采用四边形来划分？经过反复设计、演算，工程团队逐渐确定了环梁结构和三角形网格的布局，也就是我们现在看到的样子。

解决了第一个问题，第二个问题接踵而来：如何实现馈源的高精度定位。30吨的馈源舱用六根钢索连接，通过索驱动控制馈源舱的位置，要在140米的高空，在206米的尺度范围内，控制精度在10毫米以内。结构力学出身的姜鹏一度以为这是个不可能实现的任务。南仁东提出在馈源舱周围加一圈流体或半流体的“水环”。流体受到重力影响集中在某一方向，便可有效补偿姿态控制的不足，使馈源舱的角度发生相应变化。但通过实验，又是他提出放弃“水环”的方案。最终，工程团队提出粗、精两级调节来实现馈源高精度动态定位定姿的方案。首先通过6根悬索对馈源舱实现粗调节，再通过AB转台和安装在馈源舱内的Stewart平台实现精调节，非常巧妙的解决了这个问题。至此，中国天眼的模型已渐渐清晰了。

准备开工时，工程团队又发现了新的问题。由于天眼巨大的尺寸，微小的误差都会累积成巨大的问题。500米直径的圈梁和立柱温度每变化1度，就会带来6毫米的变形，工程团队急需设计一个自适应机构解决热胀冷缩带来的问题。经过一年多的实验验证，工程团队最终设计出了滑移支座方案，解决了这个问题。

经过多年努力，FAST项目在2007年7月得到国家发展和改革委员会批复立项，并于2011年3月开始在台址之上进行相关的土木工程。项目的各个环节都有序进展着，一切都向着大家的心中发展着，所有人都干劲十足。不过这时，一个让整个项目几乎功亏一篑的事情却发生了，南仁东带领的研究团队在天眼主动反射面设计方案上遇到了前所未有的难题。

原来问题出在主动反射面的钢索网部分。根据FAST的设计，上方的馈源舱飞到哪里，下方的反射面单元相应地变成 300 米口径的抛物面，其他地方同时还原成球面。根据馈源舱在索网上照射位置的不同，索网被拉扯最厉害的部分需要被拉伸 47 厘米的距离。姜鹏尝试了国内外十余根顶级强度的钢索，结果没几下就断了，没一根能够满足天眼的使用要求的。

这个突如其来的情况让项目组措手不仅。原型望远镜的抛物面口径没有达到 300 米，钢索被拉伸的距离也没那么长，应力也没那么大，导致这个问题完全被忽视了。当时台址工的挖掘工作已经如火如荼地进行了，如果不能及时找出解决方案，整个项目就要面临终止的下场。

研究团队意识到，当务之急是需要搞清楚FAST需要怎样的钢索应力要求和疲劳度性能指标。在南仁东的指导下，姜鹏首先对天眼未来 30 年的运动轨迹进行模拟分析，一个月的轨迹基本上还能看出是线条，时间拉长到一年之后，轨迹看上去就是一个黑团了。有了这些轨迹数据就能进行大规模力学仿真，每一根钢索在未来 30 年里所承受的压力范围和拉伸次数都有了精确分析。

不过分析结果反而让姜鹏更加愁眉不展，大约有 30% 左右的钢索会受到超过 300 兆帕的压力，这相当于在你的指甲盖区域压上两辆小轿车的重量。而有些钢索甚至需要承受到 445 兆帕的压力，普通钢索很难长时间反复承受这样的压力。这些钢索就如同天眼的眼部肌肉，为了使这些“肌肉”能够在 30 年甚至是 50 年内都能保持正常工作，天眼团队给每一条“肌肉”设置了一个超高的安全标准，即能够承受 500 兆帕的压力和 200 万次的拉伸，这个疲劳强度可是传统钢索标准的两倍还多，也就是说世界上没有现成的钢索能够使用。

这个情况促使国家天文台联合了多家企业和高校进行研制，同时进行了有史以来最大规模且最系统的一次钢索疲劳度实验，从锚固损伤破坏到单丝磨损破坏，所有可能的破坏实验都做了一遍。

不光如此，由于每一根钢索几乎都不是同一种规格，要么长度不一样，要么粗细不一样，这些钢索还要求有毫米级的成型精度，如果每根钢索加工精度差了 1 毫米，到钢索网边缘就要差 60 多个毫米了，所以任何一根钢索加工精度出现偏差，整个项目也会有失败的风险。

为了控制生产过程中的精度误差，项目组为这些钢索建立了恒温房，保证每一根钢索在加工过程中减少部分环境温度变化的影响。不仅如此，每一根钢索在加工过程中都要进行实时录像建档，方便日后问题追查和修正，可谓是史上最严苛的质量保障流程了。

在经历了两年多的时间和数不清的失败之后，终于生产出了适用于天眼建设的钢索。

多年后，接替南仁东成为项目总工程师的姜鹏回忆起这段漫长而又艰难的研发过程时感慨道：“我们目光之所及是星辰大海，但我们走过的每一步路都是脚踏实地。”正是凭借着甘于坐“冷板凳”的实干精神和对工程和国家高度的责任感，才能成功研制出如此特殊的钢索材料，为天眼的建设奠定了扎实的基础。除了天眼工程外，这种抗高疲劳度的钢索也成功应用在之后的重大项目中，例如港珠澳大桥、京沪高铁、南水北调工程等等，为国家的基建又作出了巨大的贡献。

钢索难题突破性的进展，让FAST“眼窝”得以在 2014 年开始支起负责承重的骨架，并在 2015 年 8 月 2 日开始第一块“视网膜”反射面板的拼装工作。

研究团队马不停蹄地开展了极具挑战的调试工作。因为强交叉学科的特点：天文、力学、机械、测绘、计算机、电子学、结构工程等，国际上传统大型望远镜的调试周期都不少于四年，对于FAST来讲，调试过程就更复杂了。

研发团队建造了一个计算机模型，在计算机上实时模拟FAST，FAST如何运作，在计算机上就如何模拟，运用实时力学仿真技术，就大幅度地提高了系统的容错能力。有了各种测量手段的支持、控制技术的支持，它的灵敏度比设计指标高出30%，达到2600平方米每K。众所周知，灵敏度是和接收面积成正比，FAST的灵敏度是世界上第二大望远镜灵敏度的3倍，而接收面积却只有它的1.9倍。毫无疑问，FAST成为世界上最灵敏的射电望远镜。

北筑鸟巢迎圣火南修窝凼落星辰

在经过 5 年多的建设后，FAST 终于在 2016 年 9 月 25 日那天迎来了第一批观众，他们围站在四周的观景台上，齐刷刷地注视着锅底中心的馈源舱。此时趴在锅沿的一缕阳光像一片金灿灿的黄油，顺着大锅慢慢滑入锅底，馈源舱随即缓缓升起，而大锅似乎被注入了生命，随之舞动开来，像一只巨大的眼眸，望向深邃的宇宙。此时四周掌声雷鸣，很多人的眼中滚下了激动的泪花。

这只“大锅”正式落成，标志着“天眼”的使命正式开始，而它的征程才刚刚起步。

从 2017 年 8 月开始，FAST 正式启动了多科学目标同时扫描巡天计划，简称 CRAFTS 项目。在对 2017 年 8 月 22 日采集的数据进行分析研究时，发现在一段 52.4 秒漂移扫描的数据，其中包含了一颗评分极高的候选脉冲星（PSR J1859-01），脉冲周期为 1.832 秒，距离地球 1.6 万光年，项目组随即向第三方天文望远镜请求第二次确认观察。

2017 年 9 月 10日那天，澳大利亚帕克斯望远镜对同一天空区域进行了跟踪观测，获得了同样周期和离散度的微波信号，从而确认了第一颗被 FAST 发现的脉冲星。不过从两个望远镜收集到的信号量来看，帕克斯需要“瞩目凝望”2100 秒才能抵上FAST“浮光掠影”所能看到的信息量。

2021 年 4 月 1 日，FAST 正式宣布向国际科学界开放，天眼不应该只属于中国，它更应该属于全人类。正如南仁东教授所说过的那样：人类之所以脱颖而出，就是因为有一种对未知的探索精神。而这种探索精神是无国界的。

从1993年的宏伟设想到2023年的大国重器，从贵州平塘县的窝凼到浩瀚无垠的太空，中国天眼FAST的发展历程正如一部扎根在中国大地上的太空史诗，书写着中国科学家勤奋钻研、矢志创新的科技报国情怀，书写着整个科研工程团队不慕虚荣、不计名利的奉献精神，更书写着全体中国人迎难而上、敢为人先的首创精神。

在老一辈科学家南仁东之后，除了力克索疲劳难题的姜鹏，还有几乎重写全部核心代码的孙京海，解决电磁干扰难题的甘恒谦，还有李辉、姚蕊、潘高峰……天眼精神是一种传承，老一辈科学家自主创新、默默奉献的精神接续到了青年一代手中。恰似“中国天眼”综合楼的门旁矗立着的南仁东的雕像，仿佛一如既往，关切地注视着这群从他手中接过接力棒的青年人。

截至目前，FAST发现脉冲数量已经超过740余颗，是同一时期国际上所有其他望远镜发现脉冲星总数的3倍以上，产生了一系列具有国际影响力的科技成果。在今年的两会“代表通道上”，姜鹏表示，还要保持足够的清醒，必须努力推进先导阵列的规划和建设，扎扎实实地解决一些关键技术问题，不断提升望远镜性能。只有这样，才有可能在日趋激烈的国际竞争背景下，保持FAST来之不易的领先优势。

敢为人先的魄力、追求极致的毅力和持之以恒的定力，这既是“中国天眼”的成功秘诀，也是我们勇攀世界科技高峰、加快建设科技强国、实现科技自立自强的不二法门。展望未来，新时代中华民族的追梦之路才刚刚开始。