500米口徑球面射電望遠鏡

500米口徑球面射電望遠鏡

500米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST),位於中國貴州省黔南布依族苗族自治州境內,是中國國家“十一五”重大科技基礎設施建設項目。

500米口徑球面射電望遠鏡於2011年3月25日動工興建;於2016年9月25日進行落成啟動儀式,該科技基礎設施進入試運行、試調試工作於2020年1月11日通過中國國家驗收工作,正式開放運行。

500米口徑球面射電望遠鏡開創了建造巨型望遠鏡的新模式,建設了反射面相當於30個足球場的射電望遠鏡,靈敏度達到世界第二大望遠鏡的2.5倍以上,大幅拓展人類的視野,用於探索宇宙起源和演化。

基本介紹

  • 中文名:500米口徑球面射電望遠鏡
  • 外文名:Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope(簡稱: FAST)
  • 別名:中國天眼
  • 始建日期:2011年3月25日
  • 投用日期:2020年1月11日(正式投用)
  • 所屬地區:中國貴州省黔南布依族苗族自治州
  • 類型:科技基礎設施
  • 占地面積:260000 m
  • 主管部門中國科學院
  • 法人單位中國科學院國家天文台
  • 總工程師南仁東
建設運行,建設歷程,觀測運行,建設台址,主要目標,建設目標,科學目標,總體建設,建設內容,系統構成,結構設計,技術指標,建設成果,技術難題,科研表彰,榮譽表彰,數據成果,文化特色,價值意義,套用價值,發展推動,

建設運行

建設歷程

1993年8月26日,在國際無線電聯大會白邀上,包括中國在內的10國天文學家提出建造巨型望遠鏡的計畫,渴望在電波環境徹底毀壞前回溯原初宇宙,解答天文學中的眾多難題。在這一科學源動力驅使下,通過不斷探索,中國天文學家提出了在貴州喀斯特窪地中建造500米口徑球面射電天文望遠鏡的建議和工程方案。
2005年9月23日,500米口徑球面射電望遠鏡召開FAST項目建議書專家評審會,項目通過評審工作;11月4日,500米口徑球面射電望遠鏡啟動立項申請工作。
2006年3月29日,中國科學院基礎科學局主持召開了“FAST項目國際評估與諮詢會”,肯定了500米口徑球面射電天文望遠鏡關鍵技術的可行性;6月16日,中國國家天文台、中科院昆明分院和貴州省科技廳在貴陽組織召開了500米口徑球面射電望遠鏡項目協調會,對該項實施所提供的條件和採取的措施進行了協商,並達成了共識;7月15日,500米口徑球面射電望遠鏡確定選址為貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩凼窪地。
2007年7月10日,國家發展和改革委員會批覆500米口徑球面射電望遠鏡立項建議書。
2008年3月18日,500米口徑球面射電望遠想才騙鏡FAST進行可研報告的專家評估工作;10月31日,國家發展和改革委員會批覆了500米口徑球面射電望遠鏡FAST的可行性研究報告;12月12日,500米口徑球面射電望遠鏡初步設計報告和投資概算通過評審工作;12月26日,500米口徑球面射電望遠鏡於貴州台址大窩凼舉行奠基儀式。
2009年6月9日,500米口徑球面射電望遠鏡完成台址詳勘招標工作;11月16日,500米口徑球面射電望遠鏡完成全鋁結構反射面單元樣機的驗收工作。
2010年9月15日,500米口徑球面射電望遠鏡通過饋源艙方案設計研究的驗收工作;9月26日,500米海訂去口徑球面射電望遠鏡工程台址施工圖設計通過專家評審工擊擔槳再作;11月12日,500米口徑球面射電望遠鏡進行項目管理契約簽字儀式。
2011年1月23日,500米口徑球面射電望遠鏡舉行台址開挖工程的開工儀式;3月25日,500米口徑球面射電望遠鏡動工興建;11月30日,500米口徑球面射電望遠鏡舉行饋源支撐塔施工圖設計契約簽署儀式。
2012年2月22日,500米口徑球面射電望遠鏡完成《FAST工程饋源艙方案最佳化設計》的契約驗收工作;8月4日,500米口徑球面射電望遠鏡完成排水戒照請隧道貫通工程。
2013年3月25日,500米口徑球面射電望遠鏡進行望遠鏡台址挖掘、基地和主動反射面的建造工作;6月4日,500米口徑球面射電望遠鏡完成光纜模擬工況試驗的驗收工作;11月29日,500米口徑球面射電望遠鏡完成饋源支撐塔基礎工程的驗收工作;12月31日,500米口徑球面射電望遠鏡完成圈樑鋼結構合攏工作。
2014年3月15日至7月23日,500米口徑球面射電望遠鏡片進行饋源塔的現場安裝工作;5月1日,500米口徑球面射電望遠鏡進行艙停靠平台工程建設工作;6月23日,500米口徑球面射電望遠鏡完成艙停靠平台主體建設工作;7月17日,500米口徑球面射電望遠鏡進行反射面索網製造與安裝工程建設工作;7月23日,500米口徑球面射電望遠鏡完成反射面地錨工程的驗收工作9月11日,500米口徑球面射電望遠鏡完成FAST圈樑製造和安裝工程的驗收工作;10月16日,500米口徑球面射電望遠鏡完成測量基墩的竣工驗收工程;11月15日,500米口徑球面射電頸雅匙獄望遠鏡完成反諒幾趨射面索網製造與安裝工程建設工作;11月30日,500米口徑球面射電望遠鏡完成反射面索網製造與安裝工程的驗收工作。
2015年1月21日,500米口徑球面射電望遠鏡完成代艙結構的部分焊接和安裝工作;2月4日,500米口徑球面射電望遠鏡完成最後一根鋼索安裝工作,索網合龍;2月10日,500米口徑球面射電望遠鏡完成索驅動第一根支撐索安裝工作;8月2日,500米口徑球面射電望遠鏡完成第一個反射單元的吊裝工作;9月30日,500米口徑球面射電望遠鏡完成項目綜合布線工程,並進行10千伏高壓線纜的耐壓測試、變電站設備調試工作;11月21日,500米口徑球面射電望遠鏡進行首次饋源艙的升艙試驗工作;11月30日,500米口徑球面射電望遠鏡完成艙停靠平台的驗收工作。
2016年7月3日,500米口徑球面射電望遠鏡完成最後一塊反射面單元安裝工作;7月31日,500米口徑球面射電望遠鏡完成觀測基地主體箭鏃的建設工作;9月25日,500米口徑球面射電望遠鏡進行落成啟動儀式,該科技基礎設施進入試運行、試調試工作。
2019年4月19日,500米口徑球面射電望遠鏡試開放;4月22日,500米口徑球面射電望遠鏡通過工藝驗收工作;5月27日,500米口徑球面射電望遠鏡項目通過檔案驗收工作;5月30日,500米口徑球面射電望遠鏡項目通過建安和財務專業驗收工作。
2020年1月11日,500米口徑球面射電望遠鏡通過中國國家驗收工作,並正式開放運行。

觀測運行

2018年4月18日,500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)首次發現毫秒脈衝星,並獲得國際認證。
2019年1月24日,500米口徑球面射電望遠鏡與天馬望遠鏡實現首次聯合觀測,獲得甚長基線干涉測量(VLBI)干涉條紋。
2021年3月31日,500米口徑球面射電望遠鏡向全球天文學家徵集觀測申請。

建設台址

500米口徑球面射電望遠鏡位於中國貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮金科村大窩凼窪地,東北距平塘縣城約85千米,西南距羅甸縣城約45千米。
東經北緯
106°50′55″
106°52′02″
25°38′48″
25°39′36″
參考資料:

主要目標

建設目標

1、500米口徑球面射電望遠鏡工程在貴州喀斯特窪地內鋪設口徑為500米的球冠形主動反射面,通過主動控制在觀測方向形成300米口徑瞬時拋物面;
2、採用光機電一體化的索支撐輕型饋源平台,加之饋源艙內的二次調整裝置,在饋源與反射面之間無剛性連線的情況下,實現高精度的指向跟蹤;
3、在饋源艙內配置覆蓋頻率70兆赫至3吉赫的多波段、多波束饋源和接收機系統;
4、針對FAST科學目標發展不同用途的終端設備;建造的天文觀測站。
500米口徑球面射電望遠鏡500米口徑球面射電望遠鏡

科學目標

1、巡視宇宙中的中性氫,研究宇宙大尺度物理學,以探索宇宙起源和演化;
2、觀測脈衝星,研究極端狀態下的物質結構與物理規律;
3、主導國際低頻甚長基線干涉測量網,獲得天體超精細結構;
4、探測星際分子,研究恆星形成與演化、星系核心黑洞一級探索太空生命起源;
5、搜尋可能的星際通訊信號,搜尋外星文明。

總體建設

建設內容

500米口徑球面射電望遠鏡主要六項建設內容為:
主要建設內容
台址勘察與開挖
勘察台址工程地質和水文地質條件,開挖清理窪地,使其滿足望遠鏡建設的需要。
主動反射面
建設8895根鋼索和4450個反射單元組成的球冠型索膜結構,口徑約500米,球冠張角120度,變形拋物面的均方差為5毫米
饋源支撐
建設公里尺度的鋼索支撐體系,在饋源艙內安裝並在線上器人用於二級調整,最終調整定位精度為10毫米。
測量與控制
建設窪地中基準網和基準站,雷射全站儀和GPS測量系統,百米距離測量精度2毫米。採用匯流排及多層控制技術實現數千點自動控制和望遠鏡協調運行。
接收機與終端
根據FAST科學目標,工作頻率覆蓋70兆赫至3吉赫。研製饋源(其中包括19波束多波束饋源)、低噪聲致冷放大器、寬頻帶數字中頻傳輸設備、高穩定度的時鐘和高精度的頻率標準設備等。配置多用途數字天文終端設備。
觀測基地建設
建立望遠鏡觀測室、終端設備室、數據處理中心、各關鍵技術實驗室、辦公樓和綜合服務體系等;用以對數據進行接受、傳輸、處理、存儲等。
參考資料:

系統構成

500米口徑球面射電望遠鏡主要由三個控制系統,主要為:
系統名稱系統介紹
望遠鏡總控系統
用於協調和控制各子系統,監測各部件運行狀態,排除故障,收集、記錄運行數據,並提供統一時間標準,使望遠鏡能按計畫進行天文觀測。
饋源支撐整體控制系統
作為500米口徑球面射電望遠鏡中樞,主要功能為饋源支撐測量數據處理、天文軌跡規劃、饋源支撐整體控制和系統校時。
主動反射面控制系統
根據天文軌跡規劃和測量數據,通過調整促動器的伸長量來控制反射面節點位置,形成位置和面型準確的拋物面。
參考資料:

結構設計

結構設計
反射面
反射面單元
①反射面單元主要由面板單元、背架、調整裝置、連線機構等組成。
②通過促動器和索網的主動控制在觀測方向形成300米口徑瞬時拋物面以匯聚電磁波,從而實現天文觀測。
③反射面總面積為25平方米,其中反射單元總計4450塊。
地錨
地錨是促動器的基礎,也是萬源街反射面實現變位工作的基準。
索網
總體
①索網結構是500米口徑球面射電望遠鏡的主動反射面的主要支撐結構,是反射面主動變位工作的關鍵點。
②索網可採取主動變位的獨特工作方式,根據觀測天體的方位,利用促動器控制下拉索,在500米口徑反射面的不同區域形成直徑為300米的拋物面,以實現天體觀測。
圈樑
圈樑是索網的支承結構,包括承台基礎、格構柱及環梁。
艙停靠平台
艙停靠平台位於主動反射面中心底部,是饋源艙安裝、人港停靠、維護、檢測平台,也是安裝、更換索驅動纜索的平台。
液壓促動器
反射面液壓促動器在上位控制系統的控制下,通過液壓促動器活塞桿的伸縮來實現精確定位、協同運動,通過調整下拉索下端的位置,從而間接同步調整索網節點位置,實時實現滿足擬合精度的300米口徑瞬時拋物面,實現天文觀測的跟蹤、換源等要求。
饋源
索驅動
①由驅動機各構、導向機構、纜索裝置、控制系統、設備基礎及其他供附屬設施組成。
②實現了饋源艙輕型化的目的,突破了傳統射電望遠鏡中饋源與反射面相對固定的剛性支撐模式,極大地降低了饋源支撐結構的重量和尺寸,減少了對射電望遠鏡無線電波的遮擋
饋源艙
饋源艙即安放饋源系統的艙體,主要包括星形框架、AB軸機構、多波束接收機轉向裝置艙罩和其他附屬設施。
饋源支撐塔
①500米口徑球面射電望遠鏡的饋源支撐系統的主體承載結構,是鋼索承載和驅動的依託支架,並為塔頂導向滑輪提供足夠剛性的支撐平台,保證驅動鋼索能夠牽引饋源艙在預定軌跡上運動。
②饋源支撐塔包含六基鋼管塔,塔頂承載數十噸量級周期性緩慢變化的鋼索拉力。六基鋼管塔高度均超過100米,饋源支撐塔共有24個塔腿基礎,分為嵌固式基礎和樁基礎兩種,其中樁基礎最大埋深為36米。
其他
測量基墩
①500米口徑球面射電望遠鏡的測量與控制系統的主體建築。
②通過在大窩凼窪地內建造24個伸出反射面的基墩,為高精度測量儀器提供穩定可靠的安裝平台,完成對反射面節點位置和饋源艙位姿測量,為反射面和饋源支撐控制提供測量數據。
觀測基地
為500米口徑球面射電望遠鏡提供建設、運行和維護基礎保障。
線路線纜
是500米口徑球面射電望遠鏡的神經網路,是所有指令信號、數據傳輸、動力傳輸的通道,是FAST高效運行的保障。
參考資料:

技術指標

技術指標
占地面積
260000平方米
球反射面
半徑:300米,口徑:500米,球冠張角:110至120度
照明口徑
300米
焦比
0.467
天空覆蓋
天頂角:40度,可跟蹤時間:4至6小時
工作頻率
70兆赫至3赫茲
靈敏度(L波段)
天線有效面積與系統噪聲溫度至比:200平方米/開,系統噪聲溫度:20開
多波束(L波段)
19個
換源時間
<10分鐘
跟蹤精度
8"
參考資料:

建設成果

技術難題

  • 建設難題
1、500米口徑球面射電望遠鏡全新的設計理念帶來了極大的技術挑戰;巨大的反射面能根據天體的目標位置實時地主動調節形狀,在觀測方向上需形成300米直徑的瞬時拋物面;
2、30噸的饋源艙在140米的高空、206米的範圍內,利用六根鋼索進行高精度控制。
3、反射面和饋源艙須在公里級的尺度上實現毫米級的動態控制精度。
4、巨大工程體量、超高精度要求及特殊的工作方式,造就了FAST前所未有的技術挑戰。
  • 技術突破
500米口徑球面射電望遠鏡與當下同類大口徑射電望遠鏡相比,它的獨到之處為:
1、利用地球上的優良台址貴州天然喀斯特巨型窪地作為望遠鏡台址。
2、自主發明主動變形反射面,在觀測方向形成300米口徑瞬時拋物面匯聚電磁波,在地面改正球差,實現寬頻和全偏振。
3、採用光機電一體化技術,自主提出輕型索拖動饋源支撐系統和並在線上器人,實現望遠鏡接收機的高精度指向跟蹤,並將萬噸平台降至幾十噸。
  • 技術創新
1、索網作為當下世界上跨度最大、精度最高的索網結構,也是世界上第一個採用變位工作方式的索網體系;
2、總面積25萬平方米的主動反射面系統由4450塊反射面單元組成,每塊反射面又由100塊鉚接式鋁製沖孔小面板拼接而成,不但減少重量,並可使雨水滲漏,陽光透過,以保證地面植被正常生長;
3、“饋源艙支撐系統”的支撐方式。饋源艙支撐系統採用柔索支撐的方式,由支撐塔、索驅動、饋源艙、艙停靠平台這四個子系統構成主體部分,突破了傳統射電望遠鏡饋源艙與反射面相對固定的剛體支撐模式。
  • 科技創新
1、創建了超大型射電望遠鏡的新系統,即主動反射面、饋源支撐等系統,實現了500米的口徑反射面主動變位和饋源艙高精度定位,是射電望遠鏡建造技術的重大突破。
2、提出了適應山區複雜地形的圈樑支承形式,發明了索網形態分析的目標位形初應變補償法,研究了主動變位的索網疲勞性能,實現了FAST大尺度、超高精度及主動變位等創新性結構設計。
3、研製了500兆帕超高應力幅及毫米級精度的結構鋼索,發明了多種大跨度、高精度施工工法,突破了現場極其苛刻的複雜場地限制,實現了建設完成跨度極大、精度極高的望遠鏡主體結構。
4、發明了大尺度、高精度、高動態測量控制與安全評估技術,實現了提供反射面高精度位置信息和全天候、高精度、大尺度高採樣率的饋源支撐動態測量。
5、在管理創新方面,採用了全過程工程諮詢模式,開創了“十字形”交叉管理系統和“五維一體”的項目管理方式,實現了節能、綠色、環保等管理體系的有機融合,開啟了大科學工程建設管理的新模式。

科研表彰

技術名稱所獲獎項
《500m口徑球面射電望遠鏡超大空間結構工程創新與實踐》
2015年度中國鋼結構協會科學技術獎特等獎
2016年度北京市科學技術獎一等獎
《500MPa應力幅耐疲勞高精度索網關鍵技術的研究與套用》
2016年度廣西壯族自治區科學技術獎技術發明獎一等獎
《大芯數、超穩定、彎曲可動光纜關鍵技術研究及產業化》
2017年度貴州省科學技術進步獎二等獎
《500m口徑射電望遠鏡柔性並聯索驅動系統技術及裝備》
2018年度遼寧省科學技術進步獎一等獎
《大跨度結構技術創新與工程套用》
2019年度中國國家科技進步獎二等獎
參考資料:

榮譽表彰

項目名稱所獲獎項
FAST工程諮詢項目
2018年度菲迪克工程獎
500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)工程
2017年度中國建築金屬結構協會第十二屆第二批中國鋼結構金獎
2017年度貴州省住房和城鄉建設廳貴州省黃果樹杯優質工程獎
2018年度貴州省優秀工程勘察設計評選委員會貴州省優秀工程勘察設計獎一等獎
2018年度英國結構工程師學會傑出結構大獎
2018至2019年度中國建築業協會中國建設工程魯班獎(國家優質工程)
2019年度中國勘察設計協會行業優秀勘察設計獎“優秀工程勘察與岩土工程”一等獎
2020年至2021年度第十八屆中國土木工程詹天佑獎
參考資料:

數據成果

截至2021年5月,500米口徑球面射電望遠鏡發現脈衝星逾370顆,並在快速射電暴等研究領域取得系列重大突破。
500米口徑球面射電望遠鏡發現脈衝星逾370顆500米口徑球面射電望遠鏡發現脈衝星逾370顆

文化特色

  • 宣傳影片
2015年5月29日,《FAST工程宣傳片》發布,其內容對當時在建的500米口徑球面射電望遠鏡的建設情況及規模進行了介紹。
  • 教育基地
2017年12月6日,中華人民共和國教育部發布《關於公布第一批全國中小學生研學實踐教育基地、營地名單的通知》,500米口徑球面射電望遠鏡入選第一批中國全國中小學生研學實踐教育基地。
  • 紀念郵品
郵品圖片郵品介紹
500米口徑球面射電望遠鏡竣工紀念封500米口徑球面射電望遠鏡竣工紀念封
中國集郵總公司製作。編號:PFTN·KJ-38;規格:220mm×110mm
封、戳設計:趙恩重;發行量:10萬枚;
貼射電望遠鏡個性化郵票,票銷“500米口徑球面射電望遠鏡竣工紀念 2016.9.25 北京”紀念郵戳;
封蓋“貴州平塘2016.09.25.11克度支局”郵戳
500米口徑球面射電望遠鏡原地封500米口徑球面射電望遠鏡原地封
貴州省集郵分公司製作。規格:230mm×120mm;
貼個性化郵票,票銷“500米球面射電望遠鏡竣工紀念2016.9.25中國·平塘 FAST”紀念郵戳;
封蓋“貴州平塘2016.09.25.11克度支局”郵戳
500米口徑球面射電望遠鏡建成紀念封500米口徑球面射電望遠鏡建成紀念封
航天集郵網製作。編號:HTJY-F135;
規格:175mm×125mm;設計:蔣慶平、張海寧;印量:500枚;票銷“500米
球面射電望遠鏡竣工紀念 2016.9.25中國·平塘 FAST”紀念郵戳;
封蓋“貴州平塘 2016.09.25.11克度支局”郵戳
世界首座500米口徑球面 射電望遠鏡建成紀念封世界首座500米口徑球面 射電望遠鏡建成紀念封
上海航天集郵研究會製作。編號:SHJ-F83;
規格:220mm×110mm; 設計: 許大舟;
票銷“500米球面射電望遠鏡竣工紀念2016.9.25 中國·平塘 FAST”紀念郵戳;
封蓋“貴州平塘 2016.09.25.11克度支局”郵戳
中國“超級天眼” 落成啟用紀念封中國“超級天眼” 落成啟用紀念封
廣東省社科院專家工作室策劃製作。編號:GDSKLZ2016-01;
規格:175mm×125mm;設計:范漢通、范達韜;印量:100枚;
票銷“500米球面射電望遠鏡竣工紀念2016.9.25中國·平塘FAST”紀念郵戳;
封蓋“貴州平塘2016.09.25.11克度支局”郵戳
500米口徑球面射電望遠鏡 建成紀念郵資片500米口徑球面射電望遠鏡 建成紀念郵資片
啟用“貴州航天集郵研究會成立一周年紀念”郵資明信片,用圖是500米口徑球面射電望遠鏡早期建設圖片。
規格:183mm×100mm;
蓋銷“500米球面射電望遠鏡竣工紀念2016.9.25中國·平塘FAST”紀念郵戳;
加蓋“貴州平塘2016.09.25.11克度支局”郵戳
500米口徑球面射電望遠鏡建成 紀念極限片500米口徑球面射電望遠鏡建成 紀念極限片
極限片主圖是500米口徑球面射電望遠鏡竣工圖片,郵票為500米口徑球面射電望遠鏡個性化郵票;
規格:148mm×100mm;
蓋銷“貴州平塘 2016.09.25.11克度支局”郵戳
平塘“三天”郵折平塘“三天”郵折
貴州省集郵分公司製作。郵折用“天眼”、“天書”、“天坑”再現了平塘的三大奇觀
500 米球面射電望遠鏡個性化郵票500 米球面射電望遠鏡個性化郵票
貴州省集郵分公司製作。主票圖為太陽鳥,副票四枚為射電望遠鏡不同時期的圖片
500 米球面射電望遠鏡明信片500 米球面射電望遠鏡明信片
貴州省黔南州郵政函件局發布。規格:193mm×100mm
《科技創新》《科技創新》
2017年9月17日,中國郵政發行了一套名為《科技創新》的紀念郵票,總計一套5枚,其中為以500米口徑球面射電望遠鏡為主題製作而成;該郵票杜鈺凱設計,遼寧省瀋陽郵電印刷廠印製。
參考資料:

價值意義

套用價值

500米口徑球面射電望遠鏡的建設涉及了眾多高科技領域,如天線製造、高精度定位與測量、高品質無線電接收機、感測器網路及智慧型信息處理、超寬頻信息傳輸、大量數據存儲與處理等。FAST關鍵技術成果可套用於諸多相關領域,如大尺度結構工程、公里範圍高精度動態測量、大型工業機器人研製以及多波束雷達裝置等。500米口徑球面射電望遠鏡的建設經驗將對中國製造技術向信息化、極限化和綠色化的方向發展產生影響。
把中國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣,將深空通訊數據下行速率提高几十倍。脈衝星到達時間測量精度由120納秒提高至30納秒,成為國際上最精確的脈衝星計時陣,為自主導航這一前瞻性研究製作脈衝星鐘。進行高解析度微波巡視,以1赫茲的解析度診斷識別微弱的空間訊號,作為被動戰略雷達為國家安全服務。可作為“子午工程”的非相干散射雷達接收系統,提供高解析度和觀測效率;跟蹤探測日冕物質拋射事件,服務於太空天氣預報。
500米口徑球面射電望遠鏡作為一個多學科基礎研究平台,有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣,觀測暗物質和暗能量,尋找第一代天體。能用一年時間發現約7000顆脈衝星,研究極端狀態下的物質結構與物理規律;有希望發現奇異星和夸克星物質;發現中子星——黑洞雙星,無需依賴模型精確測定黑洞質量;通過精確測定脈衝星到達時間來檢測引力波;作為最大的台站加入國際甚長基線網,為天體超精細結構成像;還可能發現高紅移的巨脈澤星系,實現銀河系外第一個甲醇超脈澤的觀測突破;用於搜尋識別可能的星際通訊信號,尋找地外文明等等。

發展推動

500米口徑球面射電望遠鏡落戶貴州,為貴陽市以全力支持國家超大型科學裝置建設為切入點謀求重大發展機遇、加速提升了貴陽市科技經濟水平,開闢了新渠道。對貴陽市裝備製造業、鋁工業結構升級有重大意義。一,加快提升鋁工業和裝備製造業的創新能力。二,加快本地鋁材料高新技術企業的成長和高性能高科技鋁產業鏈的形成。三,促進貴陽市機電行業和三大軍工企業的技術進步和技術升級。
500米口徑球面射電望遠鏡建在貴州,使得邊遠閉塞的黔南喀斯特山區將變成世人矚目的國際天文學術中心,成為把貴州展現給世界的新視窗。將會對中國西南貧困山區的經濟發展和社會繁榮產生不可估量的影響,為國家西部開發戰略貢獻力量。以FAST為主體的天文科普基地將推進我國西部、甚至全國的科普工作,教育青少年、宣傳公眾與決策層,為科教興國的長遠戰略目標服務級。
500米口徑球面射電望遠鏡項目建設將使貴州省在較短時間內發展成為國際一流的天文學交流中心、世界天文學的研究中心及天文科技旅遊目的地之一。FAST不僅對推進世界天文學事業發展具有重大意義,而且對貴州教育、科技、旅遊、科普和大數據據產業的發展具有重要的推動作用。
2013年3月25日,500米口徑球面射電望遠鏡進行望遠鏡台址挖掘、基地和主動反射面的建造工作;6月4日,500米口徑球面射電望遠鏡完成光纜模擬工況試驗的驗收工作;11月29日,500米口徑球面射電望遠鏡完成饋源支撐塔基礎工程的驗收工作;12月31日,500米口徑球面射電望遠鏡完成圈樑鋼結構合攏工作。
2014年3月15日至7月23日,500米口徑球面射電望遠鏡片進行饋源塔的現場安裝工作;5月1日,500米口徑球面射電望遠鏡進行艙停靠平台工程建設工作;6月23日,500米口徑球面射電望遠鏡完成艙停靠平台主體建設工作;7月17日,500米口徑球面射電望遠鏡進行反射面索網製造與安裝工程建設工作;7月23日,500米口徑球面射電望遠鏡完成反射面地錨工程的驗收工作9月11日,500米口徑球面射電望遠鏡完成FAST圈樑製造和安裝工程的驗收工作;10月16日,500米口徑球面射電望遠鏡完成測量基墩的竣工驗收工程;11月15日,500米口徑球面射電望遠鏡完成反射面索網製造與安裝工程建設工作;11月30日,500米口徑球面射電望遠鏡完成反射面索網製造與安裝工程的驗收工作。
2015年1月21日,500米口徑球面射電望遠鏡完成代艙結構的部分焊接和安裝工作;2月4日,500米口徑球面射電望遠鏡完成最後一根鋼索安裝工作,索網合龍;2月10日,500米口徑球面射電望遠鏡完成索驅動第一根支撐索安裝工作;8月2日,500米口徑球面射電望遠鏡完成第一個反射單元的吊裝工作;9月30日,500米口徑球面射電望遠鏡完成項目綜合布線工程,並進行10千伏高壓線纜的耐壓測試、變電站設備調試工作;11月21日,500米口徑球面射電望遠鏡進行首次饋源艙的升艙試驗工作;11月30日,500米口徑球面射電望遠鏡完成艙停靠平台的驗收工作。
2016年7月3日,500米口徑球面射電望遠鏡完成最後一塊反射面單元安裝工作;7月31日,500米口徑球面射電望遠鏡完成觀測基地主體箭鏃的建設工作;9月25日,500米口徑球面射電望遠鏡進行落成啟動儀式,該科技基礎設施進入試運行、試調試工作。
2019年4月19日,500米口徑球面射電望遠鏡試開放;4月22日,500米口徑球面射電望遠鏡通過工藝驗收工作;5月27日,500米口徑球面射電望遠鏡項目通過檔案驗收工作;5月30日,500米口徑球面射電望遠鏡項目通過建安和財務專業驗收工作。
2020年1月11日,500米口徑球面射電望遠鏡通過中國國家驗收工作,並正式開放運行。

觀測運行

2018年4月18日,500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)首次發現毫秒脈衝星,並獲得國際認證。
2019年1月24日,500米口徑球面射電望遠鏡與天馬望遠鏡實現首次聯合觀測,獲得甚長基線干涉測量(VLBI)干涉條紋。
2021年3月31日,500米口徑球面射電望遠鏡向全球天文學家徵集觀測申請。

建設台址

500米口徑球面射電望遠鏡位於中國貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮金科村大窩凼窪地,東北距平塘縣城約85千米,西南距羅甸縣城約45千米。
東經北緯
106°50′55″
106°52′02″
25°38′48″
25°39′36″
參考資料:

主要目標

建設目標

1、500米口徑球面射電望遠鏡工程在貴州喀斯特窪地內鋪設口徑為500米的球冠形主動反射面,通過主動控制在觀測方向形成300米口徑瞬時拋物面;
2、採用光機電一體化的索支撐輕型饋源平台,加之饋源艙內的二次調整裝置,在饋源與反射面之間無剛性連線的情況下,實現高精度的指向跟蹤;
3、在饋源艙內配置覆蓋頻率70兆赫至3吉赫的多波段、多波束饋源和接收機系統;
4、針對FAST科學目標發展不同用途的終端設備;建造的天文觀測站。
500米口徑球面射電望遠鏡500米口徑球面射電望遠鏡

科學目標

1、巡視宇宙中的中性氫,研究宇宙大尺度物理學,以探索宇宙起源和演化;
2、觀測脈衝星,研究極端狀態下的物質結構與物理規律;
3、主導國際低頻甚長基線干涉測量網,獲得天體超精細結構;
4、探測星際分子,研究恆星形成與演化、星系核心黑洞一級探索太空生命起源;
5、搜尋可能的星際通訊信號,搜尋外星文明。

總體建設

建設內容

500米口徑球面射電望遠鏡主要六項建設內容為:
主要建設內容
台址勘察與開挖
勘察台址工程地質和水文地質條件,開挖清理窪地,使其滿足望遠鏡建設的需要。
主動反射面
建設8895根鋼索和4450個反射單元組成的球冠型索膜結構,口徑約500米,球冠張角120度,變形拋物面的均方差為5毫米
饋源支撐
建設公里尺度的鋼索支撐體系,在饋源艙內安裝並在線上器人用於二級調整,最終調整定位精度為10毫米。
測量與控制
建設窪地中基準網和基準站,雷射全站儀和GPS測量系統,百米距離測量精度2毫米。採用匯流排及多層控制技術實現數千點自動控制和望遠鏡協調運行。
接收機與終端
根據FAST科學目標,工作頻率覆蓋70兆赫至3吉赫。研製饋源(其中包括19波束多波束饋源)、低噪聲致冷放大器、寬頻帶數字中頻傳輸設備、高穩定度的時鐘和高精度的頻率標準設備等。配置多用途數字天文終端設備。
觀測基地建設
建立望遠鏡觀測室、終端設備室、數據處理中心、各關鍵技術實驗室、辦公樓和綜合服務體系等;用以對數據進行接受、傳輸、處理、存儲等。
參考資料:

系統構成

500米口徑球面射電望遠鏡主要由三個控制系統,主要為:
系統名稱系統介紹
望遠鏡總控系統
用於協調和控制各子系統,監測各部件運行狀態,排除故障,收集、記錄運行數據,並提供統一時間標準,使望遠鏡能按計畫進行天文觀測。
饋源支撐整體控制系統
作為500米口徑球面射電望遠鏡中樞,主要功能為饋源支撐測量數據處理、天文軌跡規劃、饋源支撐整體控制和系統校時。
主動反射面控制系統
根據天文軌跡規劃和測量數據,通過調整促動器的伸長量來控制反射面節點位置,形成位置和面型準確的拋物面。
參考資料:

結構設計

結構設計
反射面
反射面單元
①反射面單元主要由面板單元、背架、調整裝置、連線機構等組成。
②通過促動器和索網的主動控制在觀測方向形成300米口徑瞬時拋物面以匯聚電磁波,從而實現天文觀測。
③反射面總面積為25平方米,其中反射單元總計4450塊。
地錨
地錨是促動器的基礎,也是萬源街反射面實現變位工作的基準。
索網
總體
①索網結構是500米口徑球面射電望遠鏡的主動反射面的主要支撐結構,是反射面主動變位工作的關鍵點。
②索網可採取主動變位的獨特工作方式,根據觀測天體的方位,利用促動器控制下拉索,在500米口徑反射面的不同區域形成直徑為300米的拋物面,以實現天體觀測。
圈樑
圈樑是索網的支承結構,包括承台基礎、格構柱及環梁。
艙停靠平台
艙停靠平台位於主動反射面中心底部,是饋源艙安裝、人港停靠、維護、檢測平台,也是安裝、更換索驅動纜索的平台。
液壓促動器
反射面液壓促動器在上位控制系統的控制下,通過液壓促動器活塞桿的伸縮來實現精確定位、協同運動,通過調整下拉索下端的位置,從而間接同步調整索網節點位置,實時實現滿足擬合精度的300米口徑瞬時拋物面,實現天文觀測的跟蹤、換源等要求。
饋源
索驅動
①由驅動機各構、導向機構、纜索裝置、控制系統、設備基礎及其他供附屬設施組成。
②實現了饋源艙輕型化的目的,突破了傳統射電望遠鏡中饋源與反射面相對固定的剛性支撐模式,極大地降低了饋源支撐結構的重量和尺寸,減少了對射電望遠鏡無線電波的遮擋
饋源艙
饋源艙即安放饋源系統的艙體,主要包括星形框架、AB軸機構、多波束接收機轉向裝置艙罩和其他附屬設施。
饋源支撐塔
①500米口徑球面射電望遠鏡的饋源支撐系統的主體承載結構,是鋼索承載和驅動的依託支架,並為塔頂導向滑輪提供足夠剛性的支撐平台,保證驅動鋼索能夠牽引饋源艙在預定軌跡上運動。
②饋源支撐塔包含六基鋼管塔,塔頂承載數十噸量級周期性緩慢變化的鋼索拉力。六基鋼管塔高度均超過100米,饋源支撐塔共有24個塔腿基礎,分為嵌固式基礎和樁基礎兩種,其中樁基礎最大埋深為36米。
其他
測量基墩
①500米口徑球面射電望遠鏡的測量與控制系統的主體建築。
②通過在大窩凼窪地內建造24個伸出反射面的基墩,為高精度測量儀器提供穩定可靠的安裝平台,完成對反射面節點位置和饋源艙位姿測量,為反射面和饋源支撐控制提供測量數據。
觀測基地
為500米口徑球面射電望遠鏡提供建設、運行和維護基礎保障。
線路線纜
是500米口徑球面射電望遠鏡的神經網路,是所有指令信號、數據傳輸、動力傳輸的通道,是FAST高效運行的保障。
參考資料:

技術指標

技術指標
占地面積
260000平方米
球反射面
半徑:300米,口徑:500米,球冠張角:110至120度
照明口徑
300米
焦比
0.467
天空覆蓋
天頂角:40度,可跟蹤時間:4至6小時
工作頻率
70兆赫至3赫茲
靈敏度(L波段)
天線有效面積與系統噪聲溫度至比:200平方米/開,系統噪聲溫度:20開
多波束(L波段)
19個
換源時間
<10分鐘
跟蹤精度
8"
參考資料:

建設成果

技術難題

  • 建設難題
1、500米口徑球面射電望遠鏡全新的設計理念帶來了極大的技術挑戰;巨大的反射面能根據天體的目標位置實時地主動調節形狀,在觀測方向上需形成300米直徑的瞬時拋物面;
2、30噸的饋源艙在140米的高空、206米的範圍內,利用六根鋼索進行高精度控制。
3、反射面和饋源艙須在公里級的尺度上實現毫米級的動態控制精度。
4、巨大工程體量、超高精度要求及特殊的工作方式,造就了FAST前所未有的技術挑戰。
  • 技術突破
500米口徑球面射電望遠鏡與當下同類大口徑射電望遠鏡相比,它的獨到之處為:
1、利用地球上的優良台址貴州天然喀斯特巨型窪地作為望遠鏡台址。
2、自主發明主動變形反射面,在觀測方向形成300米口徑瞬時拋物面匯聚電磁波,在地面改正球差,實現寬頻和全偏振。
3、採用光機電一體化技術,自主提出輕型索拖動饋源支撐系統和並在線上器人,實現望遠鏡接收機的高精度指向跟蹤,並將萬噸平台降至幾十噸。
  • 技術創新
1、索網作為當下世界上跨度最大、精度最高的索網結構,也是世界上第一個採用變位工作方式的索網體系;
2、總面積25萬平方米的主動反射面系統由4450塊反射面單元組成,每塊反射面又由100塊鉚接式鋁製沖孔小面板拼接而成,不但減少重量,並可使雨水滲漏,陽光透過,以保證地面植被正常生長;
3、“饋源艙支撐系統”的支撐方式。饋源艙支撐系統採用柔索支撐的方式,由支撐塔、索驅動、饋源艙、艙停靠平台這四個子系統構成主體部分,突破了傳統射電望遠鏡饋源艙與反射面相對固定的剛體支撐模式。
  • 科技創新
1、創建了超大型射電望遠鏡的新系統,即主動反射面、饋源支撐等系統,實現了500米的口徑反射面主動變位和饋源艙高精度定位,是射電望遠鏡建造技術的重大突破。
2、提出了適應山區複雜地形的圈樑支承形式,發明了索網形態分析的目標位形初應變補償法,研究了主動變位的索網疲勞性能,實現了FAST大尺度、超高精度及主動變位等創新性結構設計。
3、研製了500兆帕超高應力幅及毫米級精度的結構鋼索,發明了多種大跨度、高精度施工工法,突破了現場極其苛刻的複雜場地限制,實現了建設完成跨度極大、精度極高的望遠鏡主體結構。
4、發明了大尺度、高精度、高動態測量控制與安全評估技術,實現了提供反射面高精度位置信息和全天候、高精度、大尺度高採樣率的饋源支撐動態測量。
5、在管理創新方面,採用了全過程工程諮詢模式,開創了“十字形”交叉管理系統和“五維一體”的項目管理方式,實現了節能、綠色、環保等管理體系的有機融合,開啟了大科學工程建設管理的新模式。

科研表彰

技術名稱所獲獎項
《500m口徑球面射電望遠鏡超大空間結構工程創新與實踐》
2015年度中國鋼結構協會科學技術獎特等獎
2016年度北京市科學技術獎一等獎
《500MPa應力幅耐疲勞高精度索網關鍵技術的研究與套用》
2016年度廣西壯族自治區科學技術獎技術發明獎一等獎
《大芯數、超穩定、彎曲可動光纜關鍵技術研究及產業化》
2017年度貴州省科學技術進步獎二等獎
《500m口徑射電望遠鏡柔性並聯索驅動系統技術及裝備》
2018年度遼寧省科學技術進步獎一等獎
《大跨度結構技術創新與工程套用》
2019年度中國國家科技進步獎二等獎
參考資料:

榮譽表彰

項目名稱所獲獎項
FAST工程諮詢項目
2018年度菲迪克工程獎
500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)工程
2017年度中國建築金屬結構協會第十二屆第二批中國鋼結構金獎
2017年度貴州省住房和城鄉建設廳貴州省黃果樹杯優質工程獎
2018年度貴州省優秀工程勘察設計評選委員會貴州省優秀工程勘察設計獎一等獎
2018年度英國結構工程師學會傑出結構大獎
2018至2019年度中國建築業協會中國建設工程魯班獎(國家優質工程)
2019年度中國勘察設計協會行業優秀勘察設計獎“優秀工程勘察與岩土工程”一等獎
2020年至2021年度第十八屆中國土木工程詹天佑獎
參考資料:

數據成果

截至2021年5月,500米口徑球面射電望遠鏡發現脈衝星逾370顆,並在快速射電暴等研究領域取得系列重大突破。
500米口徑球面射電望遠鏡發現脈衝星逾370顆500米口徑球面射電望遠鏡發現脈衝星逾370顆

文化特色

  • 宣傳影片
2015年5月29日,《FAST工程宣傳片》發布,其內容對當時在建的500米口徑球面射電望遠鏡的建設情況及規模進行了介紹。
  • 教育基地
2017年12月6日,中華人民共和國教育部發布《關於公布第一批全國中小學生研學實踐教育基地、營地名單的通知》,500米口徑球面射電望遠鏡入選第一批中國全國中小學生研學實踐教育基地。
  • 紀念郵品
郵品圖片郵品介紹
500米口徑球面射電望遠鏡竣工紀念封500米口徑球面射電望遠鏡竣工紀念封
中國集郵總公司製作。編號:PFTN·KJ-38;規格:220mm×110mm
封、戳設計:趙恩重;發行量:10萬枚;
貼射電望遠鏡個性化郵票,票銷“500米口徑球面射電望遠鏡竣工紀念 2016.9.25 北京”紀念郵戳;
封蓋“貴州平塘2016.09.25.11克度支局”郵戳
500米口徑球面射電望遠鏡原地封500米口徑球面射電望遠鏡原地封
貴州省集郵分公司製作。規格:230mm×120mm;
貼個性化郵票,票銷“500米球面射電望遠鏡竣工紀念2016.9.25中國·平塘 FAST”紀念郵戳;
封蓋“貴州平塘2016.09.25.11克度支局”郵戳
500米口徑球面射電望遠鏡建成紀念封500米口徑球面射電望遠鏡建成紀念封
航天集郵網製作。編號:HTJY-F135;
規格:175mm×125mm;設計:蔣慶平、張海寧;印量:500枚;票銷“500米
球面射電望遠鏡竣工紀念 2016.9.25中國·平塘 FAST”紀念郵戳;
封蓋“貴州平塘 2016.09.25.11克度支局”郵戳
世界首座500米口徑球面 射電望遠鏡建成紀念封世界首座500米口徑球面 射電望遠鏡建成紀念封
上海航天集郵研究會製作。編號:SHJ-F83;
規格:220mm×110mm; 設計: 許大舟;
票銷“500米球面射電望遠鏡竣工紀念2016.9.25 中國·平塘 FAST”紀念郵戳;
封蓋“貴州平塘 2016.09.25.11克度支局”郵戳
中國“超級天眼” 落成啟用紀念封中國“超級天眼” 落成啟用紀念封
廣東省社科院專家工作室策劃製作。編號:GDSKLZ2016-01;
規格:175mm×125mm;設計:范漢通、范達韜;印量:100枚;
票銷“500米球面射電望遠鏡竣工紀念2016.9.25中國·平塘FAST”紀念郵戳;
封蓋“貴州平塘2016.09.25.11克度支局”郵戳
500米口徑球面射電望遠鏡 建成紀念郵資片500米口徑球面射電望遠鏡 建成紀念郵資片
啟用“貴州航天集郵研究會成立一周年紀念”郵資明信片,用圖是500米口徑球面射電望遠鏡早期建設圖片。
規格:183mm×100mm;
蓋銷“500米球面射電望遠鏡竣工紀念2016.9.25中國·平塘FAST”紀念郵戳;
加蓋“貴州平塘2016.09.25.11克度支局”郵戳
500米口徑球面射電望遠鏡建成 紀念極限片500米口徑球面射電望遠鏡建成 紀念極限片
極限片主圖是500米口徑球面射電望遠鏡竣工圖片,郵票為500米口徑球面射電望遠鏡個性化郵票;
規格:148mm×100mm;
蓋銷“貴州平塘 2016.09.25.11克度支局”郵戳
平塘“三天”郵折平塘“三天”郵折
貴州省集郵分公司製作。郵折用“天眼”、“天書”、“天坑”再現了平塘的三大奇觀
500 米球面射電望遠鏡個性化郵票500 米球面射電望遠鏡個性化郵票
貴州省集郵分公司製作。主票圖為太陽鳥,副票四枚為射電望遠鏡不同時期的圖片
500 米球面射電望遠鏡明信片500 米球面射電望遠鏡明信片
貴州省黔南州郵政函件局發布。規格:193mm×100mm
《科技創新》《科技創新》
2017年9月17日,中國郵政發行了一套名為《科技創新》的紀念郵票,總計一套5枚,其中為以500米口徑球面射電望遠鏡為主題製作而成;該郵票杜鈺凱設計,遼寧省瀋陽郵電印刷廠印製。
參考資料:

價值意義

套用價值

500米口徑球面射電望遠鏡的建設涉及了眾多高科技領域,如天線製造、高精度定位與測量、高品質無線電接收機、感測器網路及智慧型信息處理、超寬頻信息傳輸、大量數據存儲與處理等。FAST關鍵技術成果可套用於諸多相關領域,如大尺度結構工程、公里範圍高精度動態測量、大型工業機器人研製以及多波束雷達裝置等。500米口徑球面射電望遠鏡的建設經驗將對中國製造技術向信息化、極限化和綠色化的方向發展產生影響。
把中國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣,將深空通訊數據下行速率提高几十倍。脈衝星到達時間測量精度由120納秒提高至30納秒,成為國際上最精確的脈衝星計時陣,為自主導航這一前瞻性研究製作脈衝星鐘。進行高解析度微波巡視,以1赫茲的解析度診斷識別微弱的空間訊號,作為被動戰略雷達為國家安全服務。可作為“子午工程”的非相干散射雷達接收系統,提供高解析度和觀測效率;跟蹤探測日冕物質拋射事件,服務於太空天氣預報。
500米口徑球面射電望遠鏡作為一個多學科基礎研究平台,有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣,觀測暗物質和暗能量,尋找第一代天體。能用一年時間發現約7000顆脈衝星,研究極端狀態下的物質結構與物理規律;有希望發現奇異星和夸克星物質;發現中子星——黑洞雙星,無需依賴模型精確測定黑洞質量;通過精確測定脈衝星到達時間來檢測引力波;作為最大的台站加入國際甚長基線網,為天體超精細結構成像;還可能發現高紅移的巨脈澤星系,實現銀河系外第一個甲醇超脈澤的觀測突破;用於搜尋識別可能的星際通訊信號,尋找地外文明等等。

發展推動

500米口徑球面射電望遠鏡落戶貴州,為貴陽市以全力支持國家超大型科學裝置建設為切入點謀求重大發展機遇、加速提升了貴陽市科技經濟水平,開闢了新渠道。對貴陽市裝備製造業、鋁工業結構升級有重大意義。一,加快提升鋁工業和裝備製造業的創新能力。二,加快本地鋁材料高新技術企業的成長和高性能高科技鋁產業鏈的形成。三,促進貴陽市機電行業和三大軍工企業的技術進步和技術升級。
500米口徑球面射電望遠鏡建在貴州,使得邊遠閉塞的黔南喀斯特山區將變成世人矚目的國際天文學術中心,成為把貴州展現給世界的新視窗。將會對中國西南貧困山區的經濟發展和社會繁榮產生不可估量的影響,為國家西部開發戰略貢獻力量。以FAST為主體的天文科普基地將推進我國西部、甚至全國的科普工作,教育青少年、宣傳公眾與決策層,為科教興國的長遠戰略目標服務級。
500米口徑球面射電望遠鏡項目建設將使貴州省在較短時間內發展成為國際一流的天文學交流中心、世界天文學的研究中心及天文科技旅遊目的地之一。FAST不僅對推進世界天文學事業發展具有重大意義,而且對貴州教育、科技、旅遊、科普和大數據據產業的發展具有重要的推動作用。

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