[单口径射电望远镜]世界最大单口径射电天文望远镜——500米口径球面射

[单口径射电望远镜]世界最大单口径射电天

文望远镜——500米口径球面射电望远镜

篇一 : 世界最大单口径射电天文望远镜——500米口径球面射电望

远镜

500米口径球面射电望远镜——世界最大单口径射电天文望远镜工

程投资额：6.27亿

工程期限：2007年——2014年

上图为目前全球最大的射电望远镜——位于美国波多里格的

Arecibo305米口径天线，天顶扫描角20°。Arecibo天文台和它巨大的

望远镜系统始建于1963年，由美国国防部投资建设，它是目前世界

上灵敏度最高的宇宙监听系统，能够接受和分辨出来自数百万光年以

外的宇宙电磁信息。Arecibo望远镜自建成以来可谓出尽风头，1974

年该望远镜在宇宙深处发现了1个双生中子星系统，两名科学家利用

这一发现成功验证了爱因斯坦著名的重力波理论，并借此研究成果获

得了1993年的诺贝尔奖。当Arecibo望远镜巨大的天线系统作为外

景出现在影片《接触未来》和007系列影片《黄金眼》后，它壮美的

景观至今还让全世界的观众记忆犹新。不过与影片中所做的描述不

同，Arecibo望远镜真正用于外星生命研究项目所占用的探测时间其

实还不到整个系统工作时间的1%。

五年后，在贵州省平塘县克度镇一片名叫大窝凼的喀斯特洼地中，

将架起能够探寻和接受可能存在“地外文明”信息的目前世界上最大

单口径射电天文望远镜—500米口径球面射电望远镜。

500米口径球面射电望远镜是国家科教领导小组审议确定的国家9

大科技基础设施之一，此项目将采用中国科学家独创设计，利用贵州

独特喀斯特地形条件和极端安静的电波环境，建造1个500米口径球

面射电天文望远镜。500米口径的反射面由约1800个15米的六边形

球面单元拼合而成。此方案改正了球差，简化了馈源，克服了球反射

面线焦造成的窄带效应。利用贵州南部独特的天然喀斯特洼坑可大大

降低望远镜工程造价。FAST项目具有3项自主创新：利用贵州天然

的喀斯特洼坑作为台址；洼坑内铺设数千块单元组成500米球冠状主

动反射面；采用轻型索拖动机构和并联机器人，实现望远镜接收机的

高精度定位。全新的设计思路，加之得天独厚的台址优势，FAST突

破了望远镜的百米工程极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。

台址的选定十分关键，要考察的因素很多，如气候、气象、土地利用、

无线电环境、地质、人口、经济、劳动力、电力、交通、通信、网络、

土地等，因为其中任何一项对今后的运行都会产生影响。贵州省平塘

县这一喀斯特地区发育的洼坑，就像1个天然的巨碗，刚好盛起望远

镜约20万平方米的巨型反射面。建成后的望远镜将会填满整个山谷。

大窝凼不仅具有1个天然的洼地可以架设望远镜，而且喀斯特地质条

件可以保障雨水向地下渗透，而不在表面淤积，腐蚀和损坏望远镜。

此外，还有极端宁静的自然环境，由于无线电环境对射电望远镜影响

极为重要，项目地址半径5公里之内必须保持宁静和电磁环境不受干

扰。大窝凼附近没有集镇和工厂，在5公里半径之内没有1个乡镇，

25公里半径之内只有1个县城，是最为理想的选择。

它将拥有约三十个足球场大的接受面积，建成后将成为世界上最大

的单口径射电天文望远镜。与其他望远镜不同，它既不是架在山顶，

也不遨游太空，而是在贵州一片喀斯特洼地中立足，犹如一只巨大的

“天眼”，探测遥远、神秘的“天外之谜”。

FAST与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比，灵

敏度提高约10倍；与排在阿波罗登月之前、被评为人类20世纪10

大工程之首的美国Arecibo300米望远镜相比，其综合性能提高约10

倍。作为世界最大的单口径望远镜，FAST将在未来20-30年保持世

界一流设备的地位。

此项目总投资6．27亿元，建设期为5年，2008年12月26日

在贵州平塘正式开工。项目法人为中国科学院国家天文台。它的建设

将形成具有国际先进水平的天文观测与研究平台，探寻被称为21世

纪物理学最大之谜的“暗物质”、“暗能量”本质，为中国开展宇宙起源

和演化、太空生命起源和寻找地外文明等研究活动提供重要支持。

FAST在基础研究领域和国家重大需求方向的意义

FAST作为1个多学科基础研究平台，有能力将中性氢观测延伸至

宇宙边缘，观测暗物质和暗能量，寻找第一代天体。能用一年时间发

现约7000颗脉冲星，研究极端状态下的物质结构与物理规律；有希

望发现奇异星和夸克星物质；发现中子星——黑洞双星，无需依赖模

型精确测定黑洞质量；通过精确测定脉冲星到达时间来检测引力波；

作为最大的台站加入国际甚长基线网，为天体超精细结构成像；还可

能发现高红移的巨脉泽星系，实现银河系外第1个甲醇超脉泽的观测

突破；用于搜寻识别可能的星际通讯信号，寻找地外文明等等。

FAST在国家重大需求方面有重要应用价值。把我国空间测控能力

由地球同步轨道延伸至太阳系外缘，将深空通讯数据下行速率提高

100倍。脉冲星到达时间测量精度由目前的120纳秒提高至30纳秒，

成为国际上最精确的脉冲星计时阵，为自主导航这一前瞻性研究制作

脉冲星钟。进行高分辨率微波巡视，以1Hz的分辨率诊断识别微弱

的空间讯号，作为被动战略雷达为国家安全服务。作为“子午工程”

的非相干散射雷达接收系统，提供高分辨率和高效率的地面观测；跟

踪探测日冕物质抛射事件，服务于太空天气预报。

FAST研究涉及了众多高科技领域，如天线制造、高精度定位与测

量、高品质无线电接收机、传感器网络及智能信息处理、超宽带信息

传输、海量数据存储与处理等。FAST关键技术成果可应用于诸多相

关领域，如大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量、大型工业机

器人研制以及多波束雷达装置等。FAST的建设经验将对我国制造技

术向信息化、极限化和绿色化的方向发展产生影响。

FAST的系统构成射电天文望远镜通常由3个主要部分构成：汇聚

电磁波的反射面、收集信号的接收机以及指向装置。FAST在贵州喀

斯特洼地内铺设口径为500米的球冠形主动反射面，通过主动控制在

观测方向形成300米口径瞬时抛物面；采用光机电一体化的索支撑轻

型馈源平台，加之馈源舱内的二次调整装置，在馈源与反射面之间无

刚性连接的情况下，实现高精度的指向跟踪；在馈源舱内配置覆盖频

率70MHz—3GHz的多波段、多波束馈源和接收机系统；针对FAST

科学目标发展不同用途的终端设备；建造一流的天文观测站。

FAST项目进展情况

FAST的预研究历时13年，1993年国际无线电联大会上，包括我国

在内的10国天文学家提出建造巨型望远镜计划。自1994年，我国天

文学家提出在贵州喀斯特洼地中建造大口径球面射电望远镜的建议

和工程方案，它是我国射电天文学家根据国际大环境、我国特有的地

理条件、国内外合作、和工程团队不断探索，逐步研究和提出来的。

这一研究工作得到了国际天文学界的广泛支持，目前我国经济实力、

制造能力、天文学发展、方案设计、地质条件等许多方面都达到了可

以建造这样1个大射电望远镜的条件和能力。

建造如此巨大的射电望远镜国际上没有先例，很多技术更是要靠我

们自己钻研和解决，特别是在选址、主动反射面设计、馈源支撑系统

优化、馈源与接收机及关于测量与控制技术等方面，面临巨大课题和

挑战，只有这些问题解决了，才能动手建造。自1994年起，中国科

学院国家天文台等20多所科研院所和知名高校，开展了对FAST的

长期合作研究，同时FAST被列入首批国家知识创新工程重大项目。

通过10多年的探索，完成了预研和优化研究2个环节，具备了建造

世界上最大的射电望远镜的科技实力。2007年7月10日，国家发展

和改革委员会原则同意将FAST项目列入国家高技术产业发展项目计

划，要求抓紧开展可行性研究工作，在条件具备后上报可行性报告。

FAST的总体技术指标

主动反射面半径300m,口径500m,球冠张角 110-120°

有效照明口径Dill=300m

焦比0.467

天空覆盖天顶角40°

工作频率70MHz－3GHz

灵敏度天线有效面积与系统噪声温度之比A/T～2000 m2/K

系统噪声温度T～20K

分辨率2.9′

多波束十九个

观测换源时间世界主要射电望远镜

1955年，英国在曼彻斯特的焦德雷尔班克观测站建成直径76米的

全可动抛物面射电望远镜，并在1957年跟踪苏联发射的第一颗人造

地球卫星时发挥重要作用，从此闻名于世。

20世纪60年代，美国在中美洲的波多黎各利用1个天然洼地建成

305米直径的固定球面射电望远镜，至今仍以口径最大著称于世。

1971年德国建成一架直径100米的全可动抛物面天线，它是目前世

界上最大的一架全可动天线。

上世纪80年代末，美国的VLA大型综合孔径阵在新墨西哥州落成。

印度的GMRT。

1997年日本发射了第一台空间射电望远镜VSOP 。

工程选址现场照片国内目前最大的光学天文望远镜，在中国科学院

云南天文台(]丽江观测站落成并正式投入运行。这台大型光学天文望

远镜高8米，重40多吨，通光孔径2.4米，是东亚地区最大口径的

通用光学天文望远镜之一，可通过远程控制进行自动操作，综合性能

处于同级望远镜的国际先进水平。其终端配置超过3000万像素的拼

接CCD相机，以及我国与丹麦合作研制的暗弱天体光谱仪照相机，

主要对恒星和星系进行观测，用于恒星物理和宇宙科学研究。随着这

架天文望远镜投入使用，丽江天文观测站成为我国南方最重要的天文

观测基地。视频：007黄金眼篇二 : 真牛！中国500米口径射电望远

镜领跑世界

从贵阳机场驱车向南，经高速公路转上土石路，颠簸3个小时，

穿过最后一道狭窄山口，500米直径的白色钢环突然出现，填满了视

野。[]那是史上最大望远镜的圈梁。

走上FAST的圈梁，像是走在一座钢桥上。它被50根6米到

50米高低不等的钢柱支在半空，周长1.6公里，绕走一圈要40分钟。

鸡蛋粗细橡胶表面的索绳，攀附圈梁悬垂交错，总重1300吨，

已编织成网，于2月4日完工。下一步，就是拼装FAST的天线反射

面。FAST预计2016年成型，中国的射电天文学届时将领跑世界。

电视收不到信号时，屏幕上不是一片空白，而是雪花闪烁并发

出刺刺声，这就是来自太空的射电信号。1931年，美国一位电子工

程师发现，银河中心能传来有规律的电波。这开创了射电天文学。

射电跟光没太大区别，都是电磁波。光只是能刺激眼睛的一小

部分电磁波。从伽马射线到紫外线到可见光再到红外线和射电，各有

监测这些不同波段电磁波的望远镜。“射电”是比红外线频率还要低的

电磁波段。

射电望远镜，跟收卫星信号的天线锅是一回事。通过锅的反射

聚焦，把几平方米到几千平方米的信号聚拢到一点上。射电天文学家

是装备最高级的无线电爱好者，他们聆听的信号不是人造的，而是“天

生”的。

为了提高射电望远镜的表现，天文学家想出一个办法，就是让

许多个天线锅对准同一目标，通过比对信号算出更精确的信号位置。

但是想接收更微弱的射电，只有把天线锅造得更大。中国科学院国家

天文台FAST工程首席科学家、总工程师南仁东说，宇宙空间混杂各

种辐射，遥远的信号像雷声中的蝉鸣，没有超级灵敏的耳朵就分辨不

出来。

1993年东京召开的国际无线电科学联盟大会上，包括中国在内

的10国天文学家提出建造新一代射电“大望远镜”。他们期望，在全

球电信号环境恶化到不可收拾之前，能多收获一些射电信号。建造

FAST的动机肇始于此。

FAST之前，世界上最大的射电天线锅，一个是德国100米直

径的“埃菲尔斯伯格”，一个是美国300米直径的“阿雷西博”。前者是

可以移动摇头的，后者借助波多黎各岛上的喀斯特洼坑，跟FAST相

似。

造更大的望远镜非常困难。天线锅要求毫米级的精度，在平地

上建百米以上的天线锅，自重就会造成形变，一阵风也会让它变形。

有天文学家提出了思路：在喀斯特地形下常见的“天坑”里造。

1994年底，北京天文台牵头20所院校，提出了“喀斯特工程”。

准备从中国西南无数个喀斯特地貌的凹坑中，选出一个来建大望远

镜。

看过遥感图，大家确定了300个候选的圆坑，经过走访又筛选

出80个最圆的。贵州省黔南州平塘县克度镇金科村的一个圆形洼地

——大窝凼，成为最有力的竞争者。“凼”，音荡，水坑的意思。

“当时到这里来勘测，明显感觉比其他的凼更圆一点。”南仁东

说，他下踏了百个天坑，大窝凼最合适。

选一个形状最圆、深度和尺寸恰好的洼坑，可以减少“磨圆”所

需的土石方工程量。在现场，南仁东指着坑底说：“绿色的地面是没

有开挖过的，黄色的是动过土的。”我们目测这两部分面积是一比一。

水在石灰岩上削出几百米直径的“凼”。凼的底部都会有一个至

少浴缸大小的水洼，这是积水向下渗透的地方。天文学家们考虑到，

喀斯特地质下，积水可以从坑底渗漏出去，不至于於积和危害天线。

不过FAST的天坑里，还是开掘了一条通到“隔壁”坑里的排水道。

指着建在山腰上的六座钢架，南仁东说，如果不依托天坑，这

些钢架就得从平地而起，不光造价承担不起，也无法达到精度要求。

在天坑中建筑，很麻烦的一点是空间腾挪不开。为此施工人员

想了很多办法，用人工补机器的不足，采取一系列新工艺，得以把几

十座钢梁和几十段框架，一点点搬运到恰当的位置。

FAST的设计目标，是把覆盖30个足球场的信号，聚集在药片

大小的空间里。不如此，就无法监听到宇宙中微弱的射电信号。500

米的结构，要实现毫米级精度，是天文学家从未做过的。

光确保钢结构不变形就是一大挑战。热胀冷缩效应无法忽视。

南仁东指着钢架与边框相接处说，到了夏天，边框会比冬天外移30

厘米。1.6公里长的巨大边框并不固定，而是“搁”在钢架上，它与钢

架的接触面是一层平滑材料。这样即使边框胀缩，钢架也不会歪斜。

FAST的天线锅呈现标准的球形，在工作时它会变形，在适当

的位置形成一个300米直径的抛物面。FAST靠变形来转换天线方向。

就像水手扯动缆绳控制帆的朝向一样，FAST拉扯索网来变形

天线锅。FAST的钢索网，联系着边框以及2000多个天坑地表面上的

小电机。这些电机配合动作，控制着钢索网的形状。整个变形过程，

由激光定位系统校准。

而在索网的上空，高高悬着一个类似于神舟飞船大小的馈源

舱，内设世界最精贵的接收器。这个接收单元内部，也有一个有六条

伸缩腿的变形框架，负责把接收器放置在焦点上。30吨重的馈源舱，

被六条400多米的钢索吊起，移动范围达200米，再求精度，谈何容

易。

框架、索网、接收器，每一部分的位移都要控制在毫米级，FAST

才能正常工作。

比起目前领先的“埃菲尔斯伯格”望远镜，FAST的灵敏度将提

高10倍。这意味着，远在百亿光年外的射电信号，FAST也有可能听

到。

FAST建成后，天文学将注定有许多突破。

首先，FAST能够发现更多的脉冲星。脉冲星是1967年发现，

因为信号规律，开始被误认为是外星人发出的信号。现在普遍认为，

脉冲星是一种高速旋转的中子星，就像海边的灯塔，旋转的光柱扫过

地球。但也有一些证据似乎不支持灯塔模型。

南仁东说：“现在我们侦测到的约2000颗脉冲星，全都是银河

系内的。别的星系想必也有脉冲星。所以FAST会避开银河，对准别

的星系，发现更多奇特的脉冲星，了解它是什么东西。”

南仁东说：“我们很可能会发现一些前所未见的脉冲星现象，

比如说一个脉冲星和一个黑洞结对，那么就可能产生突破性的理

论。”FAST期望第一年就找到几十颗银河外的脉冲星。

FAST还可能观察到早期宇宙的蛛丝马迹——中性氢云团的运

动。所谓中性氢，就是宇宙中未聚拢成恒星发光发热的氢原子，是一

个质子加一个电子。本来从远处是看不到氢原子的，但质子和电子就

像旋转的星球一样有磁极。如果电子磁极罕见地倒转了，一种波长为

21厘米的微弱电磁波就跑了出来。

监测21厘米波，不仅能判断出哪里存在大量的中性氢，还能

通过波长微小变化，判断出这些氢原子在远离还是靠近我们。

由此，FAST观测中性氢信号，就能获知星系之间互动的细节，

还可能发现早期宇宙中刚刚形成的氢是怎么运动的，从而为宇宙发育

史提供线索。类似的道理，FAST还能监听到一些太空有机分子发出

的独特电磁波，让我们更精确地描绘出宇宙图景。

如果幸运，FAST还将尝试接收外星文明的电波。如果一二十

年后，外星人有意无意释放的信号被地球收到，那肯定是FAST的功

劳。

在中国有人烟的地区，大窝凼附近算是电波稀少的了。我们路

过附近的另一个凼——钻过几百米的漆黑山洞，突现一座世外桃源。

天坑底部种着蔬菜和庄稼，几栋木房子，狗吠鸡鸣之外，万籁无音，

令人心旷神怡。这里不通电线，最近一个乡镇在5公里外。

射电望远镜正需要这么一处静土。贵州省政府2013年出台法

令，在FAST周围设立一个5公里无线电静默区，30公里内不允许有

干扰设施。附近的农民将为此搬迁。

在距离FAST项目8公里的地方，散布有大小12个天坑组成的

世界上最大的天坑群，其深度均超过300米以上，被称为“天坑博物

馆”。贵州政府期望结合天坑和天文景观，“打造国际天坑天文旅游目

的地”。

而科学家们希望减少周边人类活动，避免电波风险。最灵敏的

天线相当于最娇弱的耳膜，轻声耳语对它无异于大喊。南仁东说：“月

亮上打手机，FAST也能听得一清二楚。”

不要说用手机，就算是附近使用电器，或者几十公里外有飞机

向地面发送信息，在FAST那里会造成一场电磁风暴。

因此，未来在FAST现场工作的科学家控制使用电器。FAST

的监听中心设在两道山以外。FAST获取的信号通过光纤传输到监听

中心，再传送到外界，全程不能用无线装置。

南仁东说，如果说FAST还有让人不放心之处，就是今后附近

能否保持绝对电波静默。

2015年，FAST将进入反射面拼装阶段。科技日报记者在现场

看到了三角形的面板，铝合金制，边长11米，4000多块这种面板最

终将拼出FAST天线锅。面板密布孔洞。南仁东说，一是为了风负载

小一点，二是达到50%的透光率，让天线面下能长草，避免水土流失。

FAST的设计和建造，体现了中国人领先于世界的工程能力。

光是把33米长、70吨重的钢框部件一块块从沿海运送到山区，在狭

小的坑里吊起、拼合，就足够令人赞叹了。负责施工的江苏沪宁钢机

股份有限公司创新了很多工艺，包括吊装技术，在世界上头一个完成

了这类工程。

FAST是人类用极端手段探索遥远的星空，因而在建设中使用

了大量非标准的工业模块，这就需要科研人员和各领域的制造厂商密

切协作，强力攻关，并研发新技术。

以钢索为例。FAST的钢索网很重，拉扯又频繁，因此需要超

高的耐疲劳强度。我们一般所用的钢索，包括斜拉桥上的钢索，其强

度都是200兆帕、200万次弯曲的，但FAST的钢索上需要装上反射

面板，需要经常调换角度，不断拉伸，再加上FAST至少需要应用30

年，所以设计人员提出了安装强度为500兆帕、200万弯曲次数的钢

索。FAST工程团队和柳州欧维姆机械股份有限公司等单位合力攻关。

FAST工程研究人员历经了无数次的失败。比如，当他们试验

到350兆帕的时候，仅弯曲6万次就失败了；他们如果做一次200万

次的弯曲试验，就需要10天。经过工程团队的不懈努力，柳州欧维

姆机械股份有限公司终于研发出了符合要求的新的钢索材料、包裹材

料和制造工艺，满足了FAST的要求。同时他们也申请了12项专利。

如果这种钢索使用到斜拉桥上，将大大提高桥梁的质量和寿命。

望远镜的馈源舱是在天线锅中心的正上方吊起来的，由锅外6

个支撑塔通过钢索共同拽住。馈源舱需向外传输的信号，都需借助支

撑塔上的光缆输出，不能使用无线通讯。因为馈源舱需要不断地调整

位置，拽着它的钢索就需要不断地拉伸，附着其上的信号光缆也随着

不断拉伸。FAST工程团队设计了一种“窗帘式”的机构，信号线和电

源线耷在钢索上，可随钢索一同拉伸。这不仅要求它们要能够抗弯曲

疲劳，而且还需要信号线内的光纤在拉伸中不致信号衰减。

国内以前对光纤弯曲的要求一般几十次就可以了。而FAST工

程要求光纤5年抗弯曲疲劳6.6万次。

FAST工程团队与北京邮电大学、武汉烽火通讯公司、北京康

宁光缆公司等合作攻关，研发了4年，终于制造出了突破10万次弯

曲疲劳寿命的48芯动光缆，同时让信号衰减达到最低，达到了FAST

的要求，同时刷新了世界纪录。

大科学工程就是通过这些苛刻条件的提出与实现，推动着国内

高新技术产业的技术升级。

预计两年后，FAST获得的信号，将通过这条光缆传输到外界。

每天会有海量的数据在贵州、北京和全世界的计算机中分析。FAST

好比一把更密的筛网，能捞出宇宙中更多的漂流瓶。中国的工程专家

是实现这一奇迹的功臣。