姚蕊：國家天文臺青年研究員，中科院青促會會員，FAST 執行和發展中心機械組組長。主要研究方向為天文技術與方法、索並聯機器人，2018 年入選《麻省理工科技評論》35 名“35 歲以下科技創新青年”中國區榜單。

以下內容來自墨子沙龍“中國的大科學裝置”活動

前面兩位老師給我們帶來很多科學之美（見：核電站內捕捉幽靈粒子；在地下 2400 米看宇宙），受到他們的啟發，你可能想成為一個科學家。我雖然來自國家天文臺，但我是做工程出身的，所以我今天會給大家更多的介紹在 FAST 工程中的一些故事，我希望現場的小朋友可以受此啟發，能成為一個工程師。

我是國家天文臺的姚蕊，我今天帶來的內容是“中國天眼”。實際在很長的一段時間我們都稱它為 FAST，在 2016 年的時候，被譽為“中國天眼”。有人說 FAST 是不是代表希望望遠鏡建得更快，其實不是，它就是簡簡單單的“500 米口徑射電望遠鏡”的英文縮寫，這就是做工程的人最樸實的東西。

經歷了 22 年，望遠鏡在 2016 年建設完成，在今年的 3 月 31 日正式向全世界開放了。FAST 具有特別優異的靈敏度。靈敏度指的是，到底能探測到多微弱的訊號。那麼如何得到闇弱的訊號？對於射電望遠鏡來講，非常簡單粗暴，就是要大面積。面積越大，同時接收訊號的能量就越多，那麼它的靈敏度也越高。FAST 建成之後，它的靈敏度是當時的 Arecibo 的 2.5 倍，佔據了世界射電望遠鏡的制高點。

我做 FAST 已經有 15 年了，我剛剛接觸 FAST 的時候，還在學校做學生，做報告的時候，經常老師會問你：做的這個東西到底是什麼？什麼是射電望遠鏡？很多時候我們提到望遠鏡更多的是停留在光學望遠鏡（工作在可見光波段）的層面，通過這種光學望遠鏡去看星空、看銀河。到底什麼是射電望遠鏡，國家天文臺的老師告訴我們，就把它想象成一個天線大鍋，就像我們的天線一樣，去接收無線波段的訊號，主要是集中在毫米、釐米、分米、米的範圍。FAST 主要是工作在分米到米的範圍。

射電望遠鏡的歷史，遠遠沒有光學望遠鏡那麼久遠。上世紀 30 年代，卡爾・央斯基一次無意的發現標誌著射電天文的誕生。它誕生時間雖然很短，不足百年，但是它卻在上世紀的 60 年代有了四大發現，包括脈衝星、星際分子、微波背景輻射和類星體，還得到了相應的諾貝爾獎。所以可以看到，在上世紀 60 年代 70 年代，大量的射電望遠鏡在建設。這也是 FAST 為什麼要開始建設的一個原動力。

在 1994 年，國際無線電大會提出了一公里平方陣的設想。一平方公里陣就是說通過很多個射電望遠鏡來一起組成一個射電望遠鏡陣，然後來達到一個高的解析度，同時也希望能達到儘可能高的靈敏度。但是在上世紀 90 年代，中國要參加國際專案的話，會遇到非常多的阻力，也就因為這種阻力的情況，南仁東先生最早提出了我們中國要不要自己建一個射電望遠鏡，這就是最初的一個原動力。要建立自己的射電望遠鏡，不再需要去那麼辛苦地申請國際上的射電天文的觀測時間，並且能得到的時間也非常短。

建設什麼樣的射電望遠鏡，在最初的時候有一個考慮。你會發現通過幾十年的增長，它的口徑最大也不過百米左右，這是因為從它的結構上來講的話，更大的口徑會對它底下的動力學，還有它結構的安全性、結構精度等等有很大的影響。所以很大程度上講，對於這種望遠鏡，構型百米似乎就是極限了。

射電望遠鏡希望達到一個高靈敏度的話，必須要擴充套件它的面積，怎麼辦？很多時候，人們會把目光投向美國的 Arecibo，這個射電望遠鏡是在上世紀 60 年代建立的，通過了兩次改造之後，它變成了現在的樣子。也很不幸，在去年的時候，它已經徹底告別了我們。但是這個確實是突破百米極限的一個新的概念。

在最早的時候 FAST 就是參照 Arecibo 來進行的設計。其實，很多時候看到現在的 FAST 的樣子，都會跟 Arecibo 聯絡在一起。看看下面這張圖，是在上世紀 95、96 年的時候，FAST 進行一些立項申請時候的手繪圖。從這裡看到它幾乎就像一個 Arecibo 的翻版，只不過把尺度變成了 500 米口徑，仍然考慮是一個球面，上面還是一個線饋。而當時的概念有一個不同的地方，就是國內的科學家非常大膽地想不再用幾個固定的鋼絲繩，而是用一個活動的鋼絲繩去牽引線饋來回的運動 —— 在一個比較大的天區裡面進行運動，不再建像他們那樣一個那麼大的三角形的中間的鋼性框架。因為我們發現，如果 500 米口徑的望遠鏡建成那樣子的框架，中間框架要上萬噸，根本沒有辦法建設。

當考慮到已經可以把上面的部分活動了，那麼下一步能不能把下面的反射面也活動一下，就是不再用一個球面的反射面，用拋物面，這可以最大限度地將拋物面中間的訊號匯聚到焦點位置。那麼如果一個 500 米口徑的望遠鏡只是一個拋物面的話，就代表我只能接受天區上面一個角度下來的訊號，那怎麼行。所以又換了一個概念。在 300 米的尺度範圍之內，當選擇了合適的焦比，從拋物面到球面的一個變形量是不到半米的。我們能不能去建一個可以實時活動的拋物面，雖然是 500 米口徑，但現在的瞬時的有效的接收面積是 300 米，就在這 300 米的範圍之內把它從球面變成拋物面，然後最大程度地把這 300 米範圍之內的能量全部接收進來，是不是就可以來實現最新的一個概念。有了當時的一個設計圖，底下的反射面可以實時的進行變形，當它變形可以想象 500 米口徑的球面裡面，可以變形成無數個 300 米口徑的拋物面，那麼這無數個 300 米的拋物面，它的焦點就會變成一個焦面，焦面會位於整個反射面上方 140 米到 170 米，開口口徑在 206 米的一個球冠面。

鋼絲繩牽引變成一個很好用的方式，可以牽引中間的饋源艙在 200 米的範圍之內來進行運動，然後能到達無數個焦點的位置。但是這樣的精度需要多高？觀測的頻段是在 70M 到 3G 赫茲，也就是常說的釐米波到米波的一個範圍。這樣的話對於它的控制精度的要求就要求反射面 300 米的面型精度要控制在四毫米以內，饋源艙中間的饋源的向心點的精度是需要控制在毫米量級。而現在用的鋼絲繩就足足有 46 毫米的直徑，所以也就是說，我現在控制的精度比鋼絲繩的直徑還要小。

概念是有了，下面就是怎麼建設它。在 2006 年的時候正式立項了，從 1994 年到 2006 年，經歷了 12 年才把專案算是立項，可以開始建設了。我們的建設單位是國家天文臺。科學目標主要是脈衝星、中性氫，還包括空間飛行器的測控等等方向的一些應用。

但是當實際開始建設的時候已經到了 2011 年，即使在開始建設的時候，還是遇到了很多的問題。首先是選擇地點，從 1994 年提出這種概念開始，南老師就開始了尋找能夠建設 500 米口徑射電望遠鏡的地方，當時他找到了遙感所的聶樂平老師。聶老師是貴州人，所以他知道在雲貴山區有很多的喀斯特地貌。天然的喀斯特地貌，水會滲透到下面形成暗河暗流將水流走。所以首先那個地方不會積水，還有，它會像一個個坑一樣，望遠鏡建設的地方就是一個天然的大坑。

還需要一個很好的射電環境，那邊的整個的電磁波的影響要對射電望遠鏡的影響比較小，本底噪聲越低越好，這樣相對來說就能探測更闇弱的訊號。我們觀測的頻段剛好是包括手機訊號的頻段、飛機的頻段，各種各樣的頻段，非常尷尬。就要找一個相對來說無人區的地方。FAST 在的這個地方，當時周邊是非常荒涼的，只有 12 戶人，離外面的最小的一個鎮，建完路之後還得有十幾公里，最早的時候連路都沒有，貴州政府後來又建了很多的路，做了很多的基建，才能夠開始建設射電望遠鏡。

基於這些情況，得到了一個天然的大坑，減少了建設成本同時它有很好的射電環境，周圍沒有手機基站，五公里都是一個射電禁區。同時它還有很好的一個地下的環境，這種地質環境能夠讓一些積水可以自動地滲下去，畢竟雲貴那邊的雨水也非常的多。十幾年我們找到了最完美的一個坑。

在建設過程中又發現了很多問題。有一個問題是可以將球面變成一個拋物面，但是現實太骨感了，怎麼讓它變？前期做了非常多的實驗，考慮用怎麼樣的一個面板，三角形的、四邊形的，來組成這樣的一個球面。還有中間要用什麼樣的方式拉，是用一個鋼性的連線還是柔性的連線等等不同的方式，包括從運動、動力學，還有控制、耗能等等方面，我們集合起來，最後選擇了一個方案，柔性的方案。就是現在看到的 FAST 方案。建設了一個直徑 500 米的圈樑，底下有 50 個柱子。在這圈樑上面搭一個索網，等於是用一個大大的圈樑兜住了一個網兜，可以想象一個柔性的網兜變成一個球面。底下在每一個球面的網兜的節點處，都有一個下拉索往下拉，下拉索底下還會佩戴一個促動器。所以說，要用一個網兜的形式把它編織成中間都是三角形的形狀，而每個三角形的各個節點的地方還會有很多的下拉索把它撐開。當整個撐開，受力控制之後，就會變成一個球面，同時受力變化之後就會變成一個拋物面。

這個概念說起來的話，就像這樣子一個動圖，看起來也很簡單，但是在設計中又發現了，這樣子的一個索網裡面用到了 6000 多根鋼索，每一根鋼索大概 11 米的長度，需要在 500 兆帕的應力幅迴圈次數 200 萬次才能夠滿足使用要求。但是在零幾年的時候，這種標準是國際最高標準的 2.5 倍，沒有任何一家廠家能提供這樣的鋼索。在那個時候確實是非常犯愁的一件事情。怎麼辦？我覺得特別真實的一個事情，很多大型工程在建設過程中，同樣見證著國家的製造能力的提升。為了這個鋼索，國內的廠家跟著我們一起做研發，實驗了無數次的鋼索，做了很多的實驗，最後專門為 FAST 花了兩年的時間研製了這樣的鋼索。

這樣才有了現在看到的反射面。在這樣的一個反射面裡面，用到了一個直徑 500 米的圈樑，裡面用到了 6670 根主索，節點上有 2225 根下拉索，佩戴著 2225 根促動器。仍然困難的地方是，建成液壓站然後分佈來進行液壓，還是要單獨的一根一根液壓驅動器。考慮到不可能因為一根促動器壞了之後我們就不工作，所以每一根促動器都會有一個油缸，這樣子如果有任何的問題，隻影響一個節點。後面還會去找，到底促動器的某一根壞了之後，會不會影響整體的一個變形，變形精度能不能滿足要求。

這是促動器，現場看到的促動器的照片，設計非常的好，建設更美。這是促動器的一個圖，你看底下的一個個基墩這樣排過去，每一個會有個編號。在野外的建設中，從我們的設計單位、製造單位、建設單位，包括我們的測量單位一起來合作，把這些我們覺得很美好的一個設計變成了一個現實。

還有一個在 FAST 中應用的很有意思的，經常提到的並聯機器人。先看看這一個視訊。用六根繩索要牽引一個饋源，我們是用六根繩索通過受力的一個設計，讓它牽引到 140 米的高空中來進行運動，可以大範圍的 200 米範圍之間運動。同時艙裡面還會有一個並聯機器人，來實時進行運動，有點像一個機頭，怎麼動它底下都是能夠保證它的精度的。而這兩個配合在一起的精度，就可以在 200 米的範圍之內達到十毫米小球的控制精度了。在 FAST 介紹中，經常都會說到並聯機器人。

下面說說我們的接收機。FAST 建得再漂亮，看起來再巨集偉，你最終是為了接收訊號。而射電訊號怎麼接收，就需要有接收機，剛剛提到的並聯機器人底下就放著很多接收機。這也是一個很有意思的點，剛剛開始設計的時候會用九套接收機，頻段從 70 兆到 3G 赫茲，但是在十幾年的過程中會有很多的變化。後來我們跟國外一起合作，做了一個低頻寬頻接收機，覆蓋了我們原來三套接收機。進行了很多的一些設計的重組，因為整個的尺寸還有要求等等都不一樣，經歷了很多折騰，折騰完之後我們發現真好。FAST 最早的一批科學成果都來於這個低頻接收機。還有一臺接收機是在 L 頻段，手機原來的頻段，還有現在的航空也都在這個頻段，1G 到 2G 的頻段，是 FAST 現在發現最多脈衝星的頻段。

還有一個是測量，在野外的測量其實跟室內的不太一樣。最早的時候覺得毫米級的測量能有多難，隨便一個全站儀之類的都是亞毫米級或者更高精度的測量精度了。但是到室外就完全不一樣了，室外的話會有大氣的影響，各方面影響會更多，然後會發現太難了。然後做了各種融合 GPS，然後還有慣導，包括全站儀，各種測量各種融合來進行做。居然做到了絕對精度一毫米，這也是世界上最高的一個測量精度。因為有了這樣的測量精度來保證，現在 FAST 的定位精度達到了十毫米的量級，而反射面板經過了這種實時標定的話，也是精度達到了四毫米的一個面型精度，這保證了 FAST 整個的精度水平。

在 FAST 中，會有很多的很新鮮的東西，在建設過程中會見證很多奇蹟的產生，而這些奇蹟也很有意思的是，還應用在了很多其他的地方，見證了這些奇蹟帶給中國的製造業，還有整個設計能力的提升，也見證了這些提升帶來的後面的一些影響。比如說，我剛剛提到的 6000 多根鋼索，它是為了 FAST 而生，後來它用在了港珠澳大橋的建設當中。

FAST 提出是在上世紀 90 年代，已經 20 多年前了，那時候概念真是太大膽了。在這過程中，從設計過程，到建設過程，其實很多的技術理論還很多空白，工業基礎遠遠不夠強大，其實就是靠著一股覺得怎麼樣都能建成、怎麼樣都能想辦法那種猛勁來做的。當然這裡面除了自己團隊 100 多號人以外，其實也要非常感謝國內的很多高校和研究所，以及很多的工業單位來一起去邁過了這些坎兒，一起實現了 FAST。所以，FAST 的實現其實是有天時地利，更有人和。

從 2016 年建成，到 2017 年開始除錯，2019 年 4 月份的時候通過了工藝驗收，所有指標都滿足了最初的設計指標。聽起來用了 15 個月完成了除錯好像很長，但其實國際慣例一般在四年左右，等於縮減了那麼多的時間而且還一次性的達到了設計標準，所以在設計的驗收、包括最終的國家驗收中，都給予了非常高的評價。

非常萬幸的是，現在已經收穫了 340 餘顆的脈衝星，而且還發表了一些高水平的論文，更多的開始發表在國內的期刊上面，我們本身的目的就是為了國內的天文學家能夠有一個自己的觀測時長。

FAST 也得到非常多的榮譽，所以作為建設者來講的話，我們會覺得很有意思。最初像是被忽悠進了這個大坑以後，經過了天馬行空的設想，到最終被譽為“國之重器”。在設計之初的時候，我們參與專案之初的時候，只是會覺得臣服於它的設計來到這個團隊。中間很多次也會迷茫，覺得到底能不能建成這樣一個望遠鏡，到最後建成，然後到它的整個的設計指標的達成的時候，覺得好像質疑聲少了一些。因為大家的目光是在這幾年才接觸到 FAST，所以沒有聽過那麼多的質疑聲，但是我們是在質疑聲中長大的，就像總工姜鵬說的，我們做工程雖然講究的是奉獻，但是做好工程是尊嚴。出成果了作為建設團隊來講，好像是已經算是完成任務了，但是其實我們的任務還更加的艱難和更加的繁瑣。

在國家驗收完之後，在去年的一月份成立了 FAST 執行和發展中心，目的就是更好地執行好這樣一個望遠鏡。因為我們看到的是一個“國之重器”的建成，但是它之後如何執行其實會更加難。我們有完善的服務鏈條，要服務科學家、天文學家，有自己的網站，還建立了專門的資料中心，這個也非常感謝院裡大科學裝置給予的支援，讓我們能夠在這幾年對於資料中心有個很好的提升，因為觀測時長比我們預期的要多得多。去年在疫情期間，我們有兩個月的一個大的整修期，在除掉這兩月之後，幾乎每一天的觀測都在 20 小時以上，所以會有非常大量的資料。也是因為這樣的話，現在開始慢慢形成自己完善的一個數據中心。

在未來，還能幹些什麼？別人說你們做工程的應該差不多了，因為有了這樣的工程經驗，還有這樣子的一個設計的過程，還認為 FAST 還能做些什麼，還能再做些什麼？總工姜鵬提到說，我們用 FAST 能不能試試雷達天文學。這也是一個新興的科學，它是說有個主動雷達去向天體發射訊號，用 FAST—— 高靈敏度的這樣一個望遠鏡來接收這些訊號，從而來進行天體結構的一個分析，還有包括一些天體測距方面的研究。同時我的同事們還正在做先進的接收機系統。

在今年的年初，非常榮幸地得到了國家領導人的親切的關懷，對未來的發展給予了很多的期望。其實我們就是帶著這樣的期望，還帶著小小的情懷，最初的初心，還在繼續。同事們都還在堅守在這裡，十幾年從剛剛畢業的學生，然後到現在 30 幾歲、40 歲的中堅力量。能夠和他們一起工作，覺得很幸運，而且還一直堅守在這裡。而在未來的話，我們還將守護在 FAST，相信 FAST 會帶給我們更多的科學發現，也期待大家和我們一起期待新的科學發現。

演講者：姚蕊

文字整理：貓擼火鍋