500米口径球面射电望远镜


500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)工程是“十一五”国家重大科技基础设施建设项目,该项目是利用贵州天然喀斯特洼地作为望远镜台址,建造世界第一大单口径射电望远镜—500米口径球冠状主动反射面射电望远镜,以实现大天区面积、高精度的天文观测。中国科学院是建设主管部门,中国科学院国家天文台为建设法人单位,贵州省人民政府为共建部门。望远镜坐落于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,东北距平塘县城约85km,西南距罗甸县城约45km,地理坐标为:东经106°50′55″~106°52′02″,北纬25°38′48″~25°39′36″。FAST工程于2011年3月25日开工建设,2016年9月25日按期竣工。


FAST工程的主要建设目标是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。为实现这一建设目标,需要完成以下六项主要建设内容:


1、台址勘察与开挖:勘察台址工程地质和水文地质条件,开挖清理洼地,使其满足望远镜建设的需要。2、主动反射面:建设8895根钢索和4450个反射单元组成的球冠型索膜结构,口径约500米,球冠张角~120°,变形抛物面的均方差为5毫米。3、馈源支撑:建设公里尺度的钢索支撑体系,在馈源舱内安装并联机器人用于二级调整,最终调整定位精度为10毫米。4、测量与控制:建设洼地中基准网和基准站,激光全站仪和GPS测量系统,百米距离测量精度2毫米。采用总线及多层控制技术实现数千点自动控制和望远镜协调运行。5、接收机与终端:根据FAST科学目标,工作频率覆盖70MHz~3GHz。研制馈源(其中包括19波束多波束馈源)、低噪声致冷放大器、宽频带数字中频传输设备、高稳定度的时钟和高精度的频率标准设备等。配置多用途数字天文终端设备。6、观测基地建设:建立望远镜观测室、终端设备室、数据处理中心、各关键技术实验室、办公楼和综合服务体系等。


借鉴国外大射电望远镜的经验,吸收当今世界上先进的望远镜技术。中国天文学家提出建造世界最大的单口径射电望远镜——500米口径球面射电天文望远镜。和同类大口径射电望远镜相比,它的独到之处在于:①利用地球上独一无二的优良台址—贵州天然喀斯特巨型洼地作为望远镜台址。②自主发明主动变形反射面,在观测方向形成300米口径瞬时抛物面汇聚电磁波,在地面改正球差,实现宽带和全偏振。③采用光机电一体化技术,自主提出轻型索拖动馈源支撑系统和并联机器人,实现望远镜接收机的高精度指向跟踪,并将万吨平台降至几十吨。


FAST工程科学目标为:①巡视宇宙中的中性氢,研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化;②观测脉冲星,研究极端状态下的物质结构与物理规律;③主导国际低频甚长基线干涉测量网,获得天体超精细结构;④探测星际分子;⑤搜索可能的星际通讯信号。


全新的设计思路,加之得天独厚的台址优势,FAST突破了射电望远镜的百米极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。它拥有30个足球场大的接收面积,将是国际上最大的单口径望远镜。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Arecibo 300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10~20年保持世界一流设备的地位。



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