星空路遥知“马”力
天马望远镜获2018上海科技进步奖特等奖

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■本报记者 何静

图说:天马望远镜 来源/上海天文台供图

5月15日公布的2018年度上海市科学技术奖中,中国科学院上海天文台的上海65米射电望远镜,在同类望远镜中系统综合性能位列世界前三,为中国的探月工程、深空探测提供有力支撑,该研制项目获得科技进步特等奖。

5月15日,2018年度上海市科学技术奖励大会在上海展览中心友谊会堂举行,大会共授奖300项。其中,“上海65米射电望远镜系统研制”项目(天马望远镜,以下简称“天马”),摘得2018年度科技进步奖特等奖。

如果说,“上海中心”代表了上海创新发展不断突破天际的新高度,那么坐落于松江的“天马”望远镜,就像不断开阔的“上海视野”,放眼未知,望向未来。今天上午召开的上海市科学技术奖励大会上,上海65米射电望远镜系列研制,荣获2018年上海市科技进步特等奖。

值得注意的是,今年的科技大会上除了特等奖出现“双黄蛋”,上海市科学技术奖的奖金总金额还增加了一倍多。其中,特等奖奖金由50万元提升至100万元,一等奖奖金由20万元提升至50万元,二等奖由10万元提升至20万元,三等奖由5万元提升至10万元,青年贡献奖奖金额度由30万元提升至50万元。

走近“天马”

国之“重器”

获得科技进步特等奖的中国科学院上海天文台“上海65米射电望远镜系统研制”项目,为我国的探月工程、深空探测提供了有力支撑。

在天马山脚下,矗立着一台65米口径、全方位可转动的射电望远镜,这就是“天马”,它以独特的方式,捕捉来自浩瀚宇宙的声响,为人类“天马行空、探索宇宙奥秘”贡献力量。

大型射电望远镜是深空探测器导航和天文学研究等领域的关键基础设施,代表了一个国家的综合创新能力。我国先后建设了口径为25米至50米等4面射电望远镜。2007年,它们和上海数据处理中心组成的甚长基线干涉测量网,作为探月工程VLBI测轨分系统,对探月工程国家重大专项的精密测定轨任务做出了重大贡献。但是,当探索太空的视野需要望向宇宙的更深处时,我国射电望远镜与国际先进水平的差距,大大制约了“中国视野”。

“我们这个项目是上海市和中科院共建的,总共花了2个多亿,其中有9400万是上海出资支持的。”中国科学院上海天文台天马望远镜总工程师刘庆会接受第一财经记者专访时说,除了经费的支持,上海市政府还在项目用地上给予了一些优惠。

中国科学院上海天文台的上海65米射电望远镜,2018年度上海市科学技术奖励大会在上海展览中心友谊会堂举行。现在,它已经7岁了,“诞生”时,它曾被誉为“亚洲第一射电望远镜”。

从2008年起,中科院、上海市和探月工程联合出资,由上海天文台负责开始研制一台具有多种科学用途的世界级大型射电望远镜系统即上海65米射电望远镜,建设地点在上海市松江佘山基地。十年后,当记者站在70米高、2700吨重的“天马”脚下,清晰地看到望远镜底部旋转的轨道和主反射面下的俯仰装置,才明白天马望远镜所获一切殊荣的意义。

项目第一完成人、中国科学院上海天文台台长沈志强在上海接受媒体采访时介绍,大型射电望远镜是深空探测器导航、天文学研究等领域的关键基础设施,代表了一个国家的综合创新能力。国际上先后建设了澳大利亚Parkes
64米、德国Effelsberg 100米、美国GBT 110米和意大利SRT
64米大型射电望远镜。

项目第一完成人、中科院上海天文台台长沈志强介绍,“天马”体重2700吨,身高70米,占地面积相当于8个篮球场大小。走近“天马”,可以清晰地看到底部6组滚轮。“有了滚轮,‘天马’可以实现‘全方位可动’,但不是转360度,而是通过左右270度交叉转动实现的。”

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上海65米射电望远镜 郑莹莹 摄

虽然是望远镜,但射电望远镜并不能“看到”满天星斗和美丽星云。沈志强说:“射电天文学诞生于1933年,是用天线‘倾听’来自宇宙的声音,即接收特定波段的电磁信号,将原始信息提供给科学家进行数据处理,解决不同的天文学问题。”

图说:获奖团队主要成员

2007年,中国由四台射电望远镜和上海数据处理中心组成的甚长基线干涉测量网,作为探月工程VLBI测轨分系统,对探月工程国家重大专项的精密测定轨任务作出了重大贡献。

馈源舱就是“信号接收机”,像是“天马”的“耳朵”,它的工作波长从最长21厘米到最短7毫米共8个波段,也是我国目前工作波长可覆盖全部厘米波段的高性能射电望远镜。站在馈源舱,仿佛立在“一口锅”的中心,可以看到“锅面”——由1008块面板组成的直径为65米的白色主反射面,这里有我国自主研发的第一个大型天线主反射面主动调整系统。

建设大型射电望远镜,需要攻克高精度指向、高接收效率、低温宽频带接收、复杂灵活控制、综合性能测试和模型建立等一系列技术难题,是一个国家综合创新能力的集中体现。上海天文台联合中电54所、上海交大、中电16所等单位,攻克40多项关键技术和集成创新,建成了我国第一台性能先进功能齐全的全可动大型射电望远镜系统,实现了我国建设世界级大型射电望远镜的目标。该系统综合性能指标在同类型望远镜中位列世界前三,极大地提升了我国探月卫星和深空探测器测定轨能力、国际VLBI和射电天文观测能力。

但是,与国际先进水平相比,当时中国的射电望远镜天线口径小、工作频率低,严重制约着未来执行国家深空探测重大任务和开展射电天文观测研究能力。2008年,中国科学院和上海市联合立项,由上海天文台负责在上海建造一台具有多种科学用途的世界级大型可转动射电望远镜。

而“锅底”有连接着面板的1104台促动器。上海交通大学副研究员叶骞介绍,“促动器”的作用是通过控制调整面板,以实现望远镜的高效率跟踪观测。

自主创新

沈志强介绍,上海65米射电望远镜有两大任务:一是服务国家航天任务,参加探月二、三期VLBI测轨任务,以及今后的深空探测任务。二是开展射电天文观测研究,考虑国际射电天文发展,结合中国天文设备部署和天文观测需求,提升中国射电天文的观测研究能力。

“前世今生”话“天马”

作为一台全方位可转动的望远镜,天马望远镜的硬件和软件系统实现了多项自主创新。其工作波长从最长21厘米到最短7毫米共8个波段,是我国目前工作波长可覆盖全部厘米波段的高性能射电望远镜。据天马望远镜首席科学家、上海天文台台长沈志强介绍,设计之初经过国际专家的评审和论证,“天马”采用了我国自主研制的第一个大型天线主反射面主动调整系统。

上海65米射电望远镜于2008年10月底立项,2009年12月29日奠基,2010年3月19日启动现场建设;2012年10月28日落成,初步完成工程建设任务,以“亚洲第一射电望远镜建成”入选了2012年中国十大科技进展新闻;2017年10月27日通过总体验收,实现了中国建设世界级大型射电望远镜的目标。

“空间观测进入新阶段,天文观测技术必须革新。”上世纪70年代,为了改变中国天文学观测设备和研究技术落后的现状,中科院院士、上海天文台原台长叶叔华高瞻远瞩地提出发展甚长基线干涉测量技术和建造射电望远镜的设想。

登上“天马望”望远镜,距地面高约30多米的五层楼处是馈源舱,8个波段的信号接收机就在这里。沿着陡峭的镂空楼梯再爬三层,向下俯视,正好面对着1008块面板组成的巨大“大锅盖”——直径为65米的白色主反射面。我国自主研发的第一个大型天线主反射面主动调整系统就在这里。通过连接着面板的1104台促动器,将每块面板的定位精度控制在15微米,补偿天线在不同俯仰角度上的重力形变,使天线保持标准的抛物面形状。保证望远镜实现不同的“视角”和转速,完成高效率跟踪观测。

“上海65米射电望远镜攻克了40多项关键技术,标志着中国完全掌握了大型射电望远镜研发核心技术。”沈志强说。

她多方奔走,带领上海天文台在1979年、1987年先后建成6米和25米射电望远镜。这两个望远镜可以说是“天马”的“哥哥和姐姐”,让中国的天文事业赶上了世界新老技术的转换时机,很快融入了世界天文科学的发展。

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落成至今已稳定运转7年,期间,上海65米射电望远镜与韩国、日本的射电望远镜联合展开观测,使得东亚VLBI的成图质量提高53%,在黑洞等致密天体研究中发挥了关键作用。

随着时代的发展,与国际先进水平相比,已有的射电望远镜天线口径小、观测频率低,严重制约着未来执行国家深空探测重大任务和开展射电天文观测研究的能力。在叶叔华的推动下,以服务国家探月、深空探测任务和开展射电天文观测研究为目标,从2008年起,上海天文台肩负起研制具有多种科学用途的世界级大型射电望远镜系统的重任。

图说:天马望远镜

上海65米射电望远镜先后已完成了2012年的嫦娥二号扩展任务,2013年的嫦娥三号任务、2014年的探月三期再入返回飞行试验器以及2018年嫦娥四号中继星和着陆巡视器VLBI测定轨任务。

在“天马”的测控中心内,墙上的一张张照片记录了“天马”诞生前的一个个重要过程:2009年6月地质钻探、2011年滚轮吊装到位、2012年副反射面吊装到位……

同时,天马望远镜在国内首次采用了无缝轨道焊接技术。焊接后轨道整体平面度达到0.46毫米,好于设计要求,不仅提高了轨道精度和承载力,而且延长了轨道、滚轮以及地基的使用寿命。天马望远镜首席科学家、上海天文台台长沈志强告诉记者,天马望远镜每年的运行时间长达7000小时,已有10多家单位的数十名科学家利用天马望远镜进行过观测,在相关领域的观测水准,达到国际先进水平。

沈志强说,上海65米射电望远镜运行稳定,极大提高了中国VLBI网的测定轨能力和探测器测定轨精度,成为国之重器,“探月工程某种意义上只是小试牛刀,更能发挥其潜能的在于更遥远的深空,将来到了火星、木星,乃至更遥远距离的探测时,大家会发现大口径有非常重要的作用。”

“这个过程培养和锻炼了一支具有射电天文研究、设备研制能力的优秀队伍。我们的团队夜以继日、精诚合作,运用分别制造最后拼装的方式,原定的6年建设周期被缩短到3年。”上海天文台研究员刘庆会自豪地说。

“天马”行空

据悉,上海65米射电望远镜将继续服务嫦娥五号、火星探测器、探月四期、小行星探测等的测定轨任务;另外也将继续服务脉冲星、大质量恒星形成和演化、活动星系核、X射电双星等的观测研究。

“天马”行空武功高强

天马望远镜作为主力测站先后参加并成功完成了2012年的嫦娥二号奔小行星探测、2013年的嫦娥三号月球软着陆、2014年的嫦娥五号飞行试验器、2018年嫦娥四号中继星和嫦娥四号探测器的VLBI测定轨任务,使我国VLBI观测网的灵敏度提高至2.6倍以上,时延测量误差由嫦娥二号时的1.77纳秒降至0.67纳秒,大幅提高了VLBI系统的测量能力,为探月系列卫星的VLBI测定轨做出了卓越贡献。

专家认为,“天马”是我国第一台性能先进、功能齐全的全可动大型射电望远镜系统,实现了我国建设世界级大型射电望远镜的目标。

随着我国对以火星为代表的更加遥远的深空科学探测活动日益增多,综合性能位于世界前列的天马望远镜不仅可以为深空探测器的测轨和数据接收服务,而且地处几个国际上主要VLBI网的交汇处,能有效提高国际VLBI网的探测灵敏度。与此同时,天马射电望远镜在脉冲星和谱线射电天文研究中取得一系列原创性观测成果,实现了对外开放,赢得了国际同行的瞩目。

“‘天马’研制过程中攻克的关键技术对今后大型射电望远镜研发也有重要应用价值。”沈志强表示,“天马”凝聚了上海天文台联合中电54所、上海交大、中电16所等单位完成的40多项关键技术和集成创新成果。例如,实现了3角秒的高精度指向,并达到了在1.2~50GHz8个波段任意仰角好于50%的高效率。

接下来,天马望远镜将继续服务嫦娥五号、火星探测器、探月四期(我国的月球极区探测计划)、小行星探测等的测定轨任务。天马望远镜也将继续脉冲星、大质量恒星形成和演化、活动星系核、X射电双星等的观测研究。“天马望远镜将力争建成为以开展天文科学研究和承担国家重大任务为主,为我国培养一批射电天文学研究人才,获得一批世界一流原创成果。”沈志强台长说。

目前“天马”综合性能指标在同类型望远镜中位列世界前三,建成以来,已经成为我国深空探测器测轨定位的国之重器,极大地提升了我国探月卫星和深空探测器测定轨能力、国际VLBI和射电天文观测能力。

新民晚报记者 马亚宁

值得一提的是,2018年“天马”为嫦娥四号保驾护航立下了“汗马功劳”,在VLBI测定轨及中继星天线在轨标定任务中作出了关键贡献。

未来,“天马”将继续服务嫦娥五号、火星探测器、探月四期、小行星探测等的测定轨任务;也将继续对脉冲星、大质量恒星、活动星系核、X射电双星等的观测研究。据悉,以“天马”为基础,上海天文台正积极参与建设世界上最大的综合孔径射电望远镜——“平方公里阵列射电望远镜”,努力推动世界天文事业的不断发展。

《中国科学报》 (2019-05-17 第3版 综合)

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