【導語】在貴州的喀斯特窪坑中，矗立著世界最大的單口徑射電望遠鏡——中國天眼（FAST）。這口銀色“巨鍋”不僅捕捉著遙遠天際的電磁波，在其看似不完美的設計中，更蘊含著精妙的工程智慧。從中心(xīn)的五邊形缺口到周邊的小圓洞，每一處設計都是對科學探索與工程實踐的完美平衡。本文將帶您深入了解FAST的這些獨特設計及其背(bèi)後(hòu)的(de)智慧。

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作者：窩氹碼農（中國科學院國家天文台/FAST運行和發展中心控製組組長）

監製：中國科普博覽

在貴州群山環抱的喀斯特窪坑中，500米口徑的“中國天眼”如同一口銀色巨鍋，時刻捕捉著來自遙遠天際的電磁波。它是我國重大科技基礎設施500米口徑球麵射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST），是世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，在脈衝星搜尋、中性氫觀測、快速射電暴發現等領域居於國際領先。FAST於2016年(nián)9月(yuè)25日(rì)落(luò)成(chéng)，2020年(nián)1月(yuè)11日(rì)通(tōng)過(guò)國(guó)家(jiā)驗(yàn)收(shōu)，正(zhèng)式(shì)開(kāi)放(fàng)運(yùn)行(xíng)。

若(ruò)你(nǐ)仔(zǐ)細(xì)觀(guān)察(chá)這(zhè)口(kǒu)“巨(jù)鍋(guō)”，會(huì)注(zhù)意(yì)到(dào)其(qí)反(fǎn)射(shè)麵(miàn)底(dǐ)部(bù)感(gǎn)覺(jué)有(yǒu)個(gè)形(xíng)似(shì)正(zhèng)五(wǔ)邊(biān)形(xíng)的(de)缺(quē)口(kǒu)。這個看似不完整的設計，實則被嚴絲合縫地封堵著，背後蘊含著精妙的工程智慧。

FAST望遠鏡整體照片

(圖片來源：FAST運行和發展中心)

“天眼”底部為什麽缺了一塊？

“天眼”底部的“洞”是怎麽來的，為什麽會存在這個五邊形缺口？答案與FAST望遠鏡的一項重要基礎設施——位於反射麵底部的饋源艙停靠平台有關。饋源艙是一個直徑約13米、重30噸的金屬艙體，艙體內裝載著超低溫製冷的接收機、饋源喇叭等精密儀器。可在百米範圍內實現毫米級的精準移動和姿態調整，核心作用是確保艙內接收機穩定接收反射麵匯聚的宇宙無線電波信號。

停靠平台位於反射麵的底部，主要作用有兩方麵：一是作為維護基地。它是饋源艙的維護中心，支持定期檢查、維修及設備更換。以饋源接收機的更換或維護為例，饋源艙平時懸於140米高空，在這樣的高度開展維護顯然不現實，因此必須將其降至望遠鏡底部進行操作。二是作為索係安裝與更換的基礎裝置(zhì)。拖動饋源艙的6根鋼索壽命有限，需定期更換，而該平台提供了驅動索係的安裝和更換接口，可保障鋼絲繩的穩定性和可靠性。

由於開展上述兩項工作時，平台的裝置會高於反射麵板，因此這個五邊形缺口正是為適配平台而專門設計的。

五邊形缺口的封堵方案：從“機械花瓣”到“隱形鬥篷”

這個五邊形缺口難道就一直保持開放狀態嗎？答案是否定的。

這需要從射電望遠鏡的“靈敏度”說起——射電望遠鏡的靈敏度主要取決於其有效接收麵積和係統噪聲溫度。當對目標進行觀測時，若所使用的拋物麵包含底部缺口對應的麵積，接收機會接收到來自地麵的熱輻射，進而導致FAST整體的係統溫度升高。這與天眼的“回照”策略類似：當天眼觀測天頂角大於26.4度的天體時，饋源接收機會“照”到地麵，此時需調整接收機姿態以避免接收地麵輻射幹擾。兩者本質上都是為了隔絕地麵的“雜音”。

因此，需要對這個五邊形缺口進行靈活封堵。而製定封堵方案需重點考慮兩方麵因素：

一是需適配天眼的“變形”特性，當FAST追蹤不同天體時，反射麵會從初始球麵變形為瞬時拋物麵。此時索網(由數千根高疲勞強度鋼索編成的“巨型可變形網兜”，通過節點下方的下拉索和促動器實時把局部球麵拉伸成拋物麵，以實現射電波的高效聚焦)中心正五邊形在水平投影麵內會沿鋼索軸向和垂直鋼索軸向兩個方向上分別產生側偏量，最大側偏量為140mm，同時5套節點盤（是一種高強度金屬連接件，每根主索交匯的連接點，采用圓盤形設計）的高度會產生變化，變化量±500mm。中心處正五邊形孔的封堵結構和機構，應滿足反射麵變形要求。即這些側偏量發生時，封堵方案需不受任何影響；

二是需具備快速拆除及快速恢複的能力。當饋源艙準備入港前，該封堵結構按麵板、桁架梁、鋼索和中心節點盤的次序被依次快速拆除，騰出空間容納饋源艙入港停靠。當FAST饋源艙離港後，可按照與拆卸相反的順序快速恢複封堵結構。

封堵方案經曆了從“機械花瓣”到“隱形鬥篷”的進化史。早期的實驗方案可簡單理解為“花瓣式”：用五塊三角形反射麵板組成一個可(kě)開(kāi)合(hé)的(de)結(jié)構(gòu)，像(xiàng)五(wǔ)片(piàn)花(huā)瓣(bàn)圍(wéi)在(zài)中(zhōng)心(xīn)。觀(guān)測(cè)時(shí)“花(huā)瓣(bàn)”閉(bì)合(hé)，讓(ràng)反(fǎn)射(shè)麵(miàn)保(bǎo)持(chí)完(wán)整(zhěng)；需(xū)要(yào)維(wéi)修(xiū)時(shí)“花(huā)瓣(bàn)”打(dǎ)開(kāi)，給(gěi)饋(kuì)源(yuán)艙(cāng)讓(ràng)道(dào)。其(qí)中(zhōng)一(yī)塊(kuài)“花(huā)瓣(bàn)”開(kāi)合的過程見如下視頻：

這個方案的優點很明顯：觀測過程中，如果300米的瞬時拋物麵覆蓋中心底部的五塊三角形，閉合狀態下則能充分利用五邊形區域的反射麵麵積，讓天眼的接收麵積更大。但缺點也很突出——“花瓣”開合速度太慢。每次打開或閉合，耗費的時間會大於40分鍾。這個“耗時短板”，讓“花瓣式”方案最終沒能落地。

目前的實驗方案，是把封堵的五塊麵板換成一張“索張拉柔性網”，就像給缺口披了件“隱形鬥篷”。該方案參考FAST運行和發展中心李輝的專利——《一種FAST反射麵中心孔索張拉柔性封堵結構》（專利號：CN108736169A）。

該方案的優勢在於，其封堵結構由柔性網與輕質麵板組成，不僅重量更輕，操作也更為靈活，拆除過程僅需10分鍾左右。不過，該方案也存在一定局限：在觀測過程中，若拋物麵覆蓋了中心底部區域，會損失原五塊反射麵板的接收麵積。但這部分麵積僅占300米瞬時拋物麵的不到1%，對整體靈敏度的影響微乎其微。

權衡之下，“高效優先”的柔性網方案成了最終選擇。如今，當天眼需要維修時，這層“隱形鬥篷”會迅速收起；觀測時又會嚴絲合縫地蓋好，讓天眼始終保持最佳狀態。

反射麵底部當前的封堵現狀

(圖片來源：FAST運行和發展中心)

為什麽反射麵周邊還有“小洞”？

其實，當糖心免费视频俯視這口“大鍋”時，細心的觀察者會發現：除了中心底部的大缺口，反射麵周邊還有不少小洞。從上圖“反射麵底部當前的封堵現狀”中，也能清晰看到其中散布的兩個“小圓洞”。這些小洞又是怎麽回事？答案藏在天眼的“定位係統”——“測量基墩”裏。

FAST測量基墩照片

(圖片來源：FAST運行和發展中心)

作為為望遠鏡麵型調整和饋源定位提供穩定支撐的基座，測量基墩是保障測量精度的核心。望遠鏡運行時，饋源艙的實時精確定位、拋物麵的麵型精度測量，均離不開這一基礎裝置。基墩上布設的徠卡測量儀器可支持全自動化測量，若將儀器置於麵板下方，信號會被遮擋，測量工作便無從開展。因此，工程設計團隊特意留設孔洞，讓光束、信號與儀器得以“各行其道”。

反射麵的麵型測量是如何實現的呢？首先在反射麵節點（即三角形麵板的連接點）安裝靶標，每個靶標相當於一個需測量相對位置的目標點。測量時，安置在測量基墩上的全站儀會發射調製紅外光，對這些靶標的位置進行采集，工程師根據這些點的空間位置分布精確描繪出反射麵的形狀，從而實現對麵型的測量。

測量基墩與反射麵靶標

(圖片來源：新華社 歐東衢)

當然，這一過程需解決基準網構建、大氣折光消除等技術問題。而饋源艙的位姿測量則采用多站交會技術：在反射麵內的基準點部署3台全站儀，通過測量饋源艙邊緣棱鏡的坐標，結合交會算法解算得出艙體的空間位置。

全站儀工作狀態照片

(圖片來源：FAST運行和發展中心)

為了給饋源艙留“維修站”，工程師們“讓”出一塊麵積，又用巧妙的封堵方案補上了性能短板；為了保證測量精度，他們故意留下反射麵周邊的“小洞”，又用精準的布局讓這些缺口不影響整體功能。這些設計背後，是對每一個細節的反複推敲。

從中心的五邊形缺口到周邊的小圓洞，FAST的這些“不完美”設計，恰恰體現了工程智慧的精髓：科學探索從來不是追求形式上的圓滿，而是在約束與需求之間，找到那個精妙的最優平衡點。