大国重器:五百米口径球面射电望远镜（FAST）
500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST），位于贵州省黔南布依族苗族自治州境内，是中国家“十一五”重大科技基础设施建设项目。 500米口径球面射电望远镜于2011年3月25日动工兴建；于2016年9月25日进行落成启动仪式，该科技基础设施进入试运行、调试工作；于2020年1月11日通过国家验收，正式开放运行。 500米口径球面射电望远镜开创了建造巨型望远镜的新模式，建设了反射面相当于30个足球场的射电望远镜，灵敏度达到世界第二大望远镜美国“阿雷西博”的2.5倍以上，大幅拓展人类的视野，用于探索宇宙起源和演化。 1993年8月26日，在国际无线电联大会上，包括我国在内的10国天文学家提出建造巨型望远镜的计划，渴望在电波环境彻底毁坏前回溯原初宇宙，解答天文学中的众多难题。在这一科学源动力驱使下，通过不断探索，我国天文学家提出了在贵州喀斯特洼地中建造500米口径球面射电天文望远镜的建议和工程方案。 2005年9月23日，500米口径球面射电望远镜召开项目建议书专家评审会，项目通过评审工作；11月4日，500米口径球面射电望远镜启动立项申请工作。 2006年3月29日，中国科学院基础科学局主持召开了“FAST项目国际评估与咨询会”，肯定了500米口径球面射电天文望远镜关键技术的可行性[；6月16日，中国科学院国家天文台、中科院昆明分院和贵州省科技厅在贵阳组织召开了500米口径球面射电望远镜项目协调会，对该项实施所提供的条件和采取的措施进行了协商，并达成了共识；7月15日，500米口径球面射电望远镜确定选址为贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县大窝凼洼地。 2007年7月10日，国家发改委批复500米口径球面射电望远镜立项建议书。 2008年3月18日，500米口径球面射电望远镜FAST进行可行性研究报告的专家评估工作；10月31日，国家发改委批复了500米口径球面射电望远镜FAST的可行性研究报告；12月12日，500米口径球面射电望远镜初步设计报告和投资概算通过评审工作；12月26日，500米口径球面射电望远镜于贵州大窝凼台址举行奠基仪式。 2009年6月9日，500米口径球面射电望远镜完成台址详勘招标工作；11月16日，500米口径球面射电望远镜完成全铝结构反射面单元样机的验收工作。 2009年6月9日，500米口径球面射电望远镜完成台址详勘招标工作；11月16日，500米口径球面射电望远镜完成全铝结构反射面单元样机的验收工作。 2011年1月23日，500米口径球面射电望远镜举行台址开挖工程开工仪式[；3月25日，500米口径球面射电望远镜动工兴建；11月30日，500米口径球面射电望远镜举行馈源支撑塔施工图设计合同签署仪式。 2012年2月22日，500米口径球面射电望远镜完成《FAST工程馈源舱方案优化设计》合同验收；8月4日，500米口径球面射电望远镜完成排水隧道贯通工程[15]。 2013年3月25日，500米口径球面射电望远镜进行望远镜台址挖掘、基地和主动反射面建造；6月4日，500米口径球面射电望远镜完成光缆模拟工况试验验收；11月29日，500米口径球面射电望远镜完成馈源支撑塔基础工程验收；12月31日，500米口径球面射电望远镜完成圈梁钢结构合拢。 7月17日，500米口径球面射电望远镜进行反射面索网制造与安装工程建设工作；7月23日，500米口径球面射电望远镜完成反射面地锚工程的验收279月11日，500米口径球面射电望远镜完成圈梁制造和安装工程验收；10月16日，500米口径球面射电望远镜完成测量基墩的竣工验收；11月15日，500米口径球面射电望远镜完成反射面索网制造与安装工程建设工作；11月30日，500米口径球面射电望远镜完成反射面索网制造与安装工程验收。 2015年1月21日，500米口径球面射电望远镜完成代舱结构的部分焊接和安装工作；2月4日，500米口径球面射电望远镜完成最后一根钢索安装工作，索网合龙；2月10日，500米口径球面射电望远镜完成索驱动第一根支撑索安装；8月2日，500米口径球面射电望远镜完成第一个反射单元吊装；9月30日，500米口径球面射电望远镜完成项目综合布线工程，并进行10千伏高压线缆的耐压测试、变电站设备调试；11月21日，500米口径球面射电望远镜进行首次馈源苍升舱试验；11月30日，500米口径球面射电望远镜完成馈源舱停靠平台验收 2016年7月3日，500米口径球面射电望远镜完成最后一块反射面单元安装工作[8]；7月31日，500米口径球面射电望远镜完成观测基地主体箭镞建设；9月25日，500米口径球面射电望远镜进行落成启动仪式，该望远镜进入试运行、试调试阶段。 2019年4月19日，500米口径球面射电望远镜试开放；4月22日，500米口径球面射电望远镜通过工艺验收；5月27日，500米口径球面射电望远镜项目通过档案验收；5月30日，500米口径球面射电望远镜项目通过建安和财务专业验收。 2020年1月11日，500米口径球面射电望远镜通过国家验收，并正式开放运行。 2018年4月18日，500米口径球面射电望远镜（FAST）首次发现毫秒脉冲星，并获得国际认证。 2019年1月24日，500米口径球面射电望远镜与天马望远镜实现首次联合观测，获得甚长基线干涉测量（VLBI）干涉条纹。 2021年3月31日，500米口径球面射电望远镜向全球天文学家征集观测申请。 2022年6月，500米口径球面射电望远镜发现首例持续活跃快速射电暴，该成果于北京时间2022年6月9日在国际学术期刊《自然》杂志发表。 2022年9月，“中国天眼”FAST对一例位于银河系外的快速射电暴开展了深度观测，首次探测到距离快速射电暴中心仅1个天文单位（即太阳到地球的距离）的周边环境的磁场变化，向着揭示快速射电暴中心引擎机制迈出重要一步。 2022年10月报道，中国科学院国家天文台利用中国天眼FAST进行成像观测，在致密星系群——“斯蒂芬五重星系”及周围天区，发现了1个尺度大约为两百万光年的巨大原子气体系统，也就是大量弥散的氢原子气体。这是迄今为止，在宇宙中探测到的最大的原子气体系统。该成果于北京时间2022年10月19日23点在国际学术期刊《自然》杂志发表。 2022年12月10日消息，近日，国家天文台韩金林研究员科研团队利用中国天眼FAST探测了银河系内气体介质，获得高清图像。系列成果于2022年12月10日发表在专业学术期刊《中国科学》上。[ 2022年12月26日，中国科学院国家天文台的消息，该台研究员李菂团队通过系统分析的500米口径球面射电望远镜(FAST)的快速射电暴观测数据，精细刻画出动态宇宙的射频偏振特征，最新研究揭示圆偏振可能是重复快速射电暴的共有特征。这一重要天文观测发现及研究的成果论文，北京时间12月26日以封面文章形式在中国科技期刊卓越行动计划综合性领军期刊《科学通报》(Science Bulletin)发表。 500米口径球面射电望远镜位于中国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85千米，西南距罗甸县城约45千米。 建设目标 1、500米口径球面射电望远镜工程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； 2、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； 3、在馈源舱内配置覆盖频率70兆赫至3吉赫的多波段、多波束馈源和接收机系统； 4、针对FAST科学目标发展不同用途的终端设备；建造的天文观测站。 科学目标 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，研究恒星形成与演化、星系核心黑洞一级探索太空生命起源； 5、搜索可能的星际通讯信号，搜寻外星文明。 500米口径球面射电望远镜主要六项建设内容为： 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。 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度，变形抛物面的均方差为5毫米 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。 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。 接收机与终端 根据FAST科学目标，工作频率覆盖70兆赫至3吉赫。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。 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；用以对数据进行接受、传输、处理、存储等。 500米口径球面射电望远镜主要由三个控制系统，主要为： 望远镜总控系统 用于协调和控制各子系统，监测各部件运行状态，排除故障，收集、记录运行数据，并提供统一时间标准，使望远镜能按计划进行天文观测。 馈源支撑整体控制系统 作为500米口径球面射电望远镜中枢，主要功能为馈源支撑测量数据处理、天文轨迹规划、馈源支撑整体控制和系统校时。 主动反射面控制系统 根据天文轨迹规划和测量数据，通过调整促动器的伸长量来控制反射面节点位置，形成位置和面型准确的抛物面。 结构设计 反射面 反射面单元 ①反射面单元主要由面板单元、背架、调整装置、连接机构等组成。 ②通过促动器和索网的主动控制在观测方向形成300米口径瞬时抛物面以汇聚电磁波，从而实现天文观测。 ③反射面总面积为25平方米，其中反射单元共计4450块。 地锚 地锚是促动器的基础，也是万源街反射面实现变位工作的基准。 索网 总体 ①索网结构是500米口径球面射电望远镜的主动反射面的主要支撑结构，是反射面主动变位工作的关键点。 ②索网可采取主动变位的独特工作方式，根据观测天体的方位，利用促动器控制下拉索，在500米口径反射面的不同区域形成直径为300米的抛物面，以实现天体观测。 圈梁 圈梁是索网的支承结构，包括承台基础、格构柱及环梁。 舱停靠平台 舱停靠平台位于主动反射面中心底部，是馈源舱安装、人港停靠、维护、检测平台，也是安装、更换索驱动缆索的平台。 液压促动器 反射面液压促动器在上位控制系统的控制下，通过液压促动器活塞杆的伸缩来实现精确定位、协同运动，通过调整下拉索下端的位置，从而间接同步调整索网节点位置，实时实现满足拟合精度的300米口径瞬时抛物面，实现天文观测的跟踪、换源等要求。 馈源 索驱动 ①由驱动机各构、导向机构、缆索装置、控制系统、设备基础及其他供附属设施组成。 ②实现了馈源舱轻型化的目的，突破了传统射电望远镜中馈源与反射面相对固定的刚性支撑模式，极大地降低了馈源支撑结构的重量和尺寸，减少了对射电望远镜无线电波的遮挡 馈源舱 馈源舱即安放馈源系统的舱体，主要包括星形框架、AB轴机构、多波束接收机转向装置舱罩和其他附属设施。 馈源支撑塔 ①500米口径球面射电望远镜的馈源支撑系统的主体承载结构，是钢索承载和驱动的依托支架，并为塔顶导向滑轮提供足够刚性的支撑平台，保证驱动钢索能够牵引馈源舱在预定轨迹上运动。 ②馈源支撑塔包含六基钢管塔，塔顶承载数十吨量级周期性缓慢变化的钢索拉力。六基钢管塔高度均超过100米，馈源支撑塔共有24个塔腿基础，分为嵌固式基础和桩基础两种，其中桩基础最大埋深为36米。 其他 测量基墩 ①500米口径球面射电望远镜的测量与控制系统的主体建筑。 ②通过在大窝凼洼地内建造24个伸出反射面的基墩，为高精度测量仪器提供稳定可靠的安装平台，完成对反射面节点位置和馈源舱位姿测量，为反射面和馈源支撑控制提供测量数据。 观测基地 为50为500米口径球面射电望远镜提供建设、运行和维护基础保障。 线路线缆 是500米口径球面射电望远镜的神经网络，是所有指令信号、数据传输、动力传输的通道，是FAST高效运行的保障。 技术指标 技术指标 占地面积 260000平方米 球反射面 半径：300米，口径：500米，球冠张角：110至120度 照明口径 300米 展开全部 建设成果 技术难题 建设难题 1、500米口径球面射电望远镜全新的设计理念带来了极大的技术挑战；巨大的反射面能根据天体的目标位置实时地主动调节形状，在观测方向上需形成300米直径的瞬时抛物面； 2、30吨的馈源舱在140米的高空、206米的范围内，利用六根钢索进行高精度控制。 3、反射面和馈源舱须在公里级的尺度上实现毫米级的动态控制精度。 4、巨大工程体量、超高精度要求及特殊的工作方式，造就了FAST前所未有的技术挑战。 技术突破 500米口径球面射电望远镜与当下同类大口径射电望远镜相比，它的独到之处为： 1、利用地球上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。 技术创新 1、索网作为当下世界上跨度最大、精度最高的索网结构，也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系； 2、总面积25万平方米的主动反射面系统由4450块反射面单元组成，每块反射面又由100块铆接式铝制冲孔小面板拼接而成，不但减少重量，并可使雨水渗漏，阳光透过，以保证地面植被正常生长； 3、“馈源舱支撑系统”的支撑方式。馈源舱支撑系统采用柔索支撑的方式，由支撑塔、索驱动、馈源舱、舱停靠平台这四个子系统构成主体部分，突破了传统射电望远镜馈源舱与反射面相对固定的刚体支撑模式。 科技创新 1、创建了超大型射电望远镜的新系统，即主动反射面、馈源支撑等系统，实现了500米的口径反射面主动变位和馈源舱高精度定位，是射电望远镜建造技术的重大突破。 2、提出了适应山区复杂地形的圈梁支承形式，发明了索网形态分析的目标位形初应变补偿法，研究了主动变位的索网疲劳性能，实现了FAST大尺度、超高精度及主动变位等创新性结构设计。 3、研制了500兆帕超高应力幅及毫米级精度的结构钢索，发明了多种大跨度、高精度施工工法，突破了现场极其苛刻的复杂场地限制，实现了建设完成跨度极大、精度极高的望远镜主体结构。 4、发明了大尺度、高精度、高动态测量控制与安全评估技术，实现了提供反射面高精度位置信息和全天候、高精度、大尺度高采样率的馈源支撑动态测量。 5、在管理创新方面，采用了全过程工程咨询模式，开创了“十字形”交叉管理系统和“五维一体”的项目管理方式，实现了节能、绿色、环保等管理体系的有机融合，开启了大科学工程建设管理的新模式。 2022年9月21日，由北京大学李柯伽教授、东苏勃教授与胥恒、陈平博士等人参与的FAST优先和重大科学研究团队，在国际学术期刊Nature发表文章对重复性快速射电暴FRB20201124A的起源进行了评估。该团队通过对这个源的深度观测取得的若干重要发现都是国际首次。 500米口径球面射电望远镜的建设涉及了众多高科技领域，如天线制造、高精度定位与测量、高品质无线电接收机、传感器网络及智能信息处理、超宽带信息传输、大量数据存储与处理等。FAST关键技术成果可应用于诸多相关领域，如大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量、大型工业机器人研制以及多波束雷达装置等。500米口径球面射电望远镜的建设经验将对中国制造技术向信息化、极限化和绿色化的方向发展产生影响。 把我国的空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘，将深空通讯数据下行速率提高几十倍。脉冲星到达时间测量精度由120纳秒提高至30纳秒，成为国际上最精确的脉冲星计时阵，为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟。进行高分辨率微波巡视，以1赫兹的分辨率诊断识别微弱的空间讯号，作为被动战略雷达为国家安全服务。可作为“子午工程”的非相干散射雷达接收系统，提供高分辨率和观测效率；跟踪探测日冕物质抛射事件，服务于太空天气预报。 500米口径球面射电望远镜作为一个多学科基础研究平台，有能力将中性氢观测延伸至宇宙边缘，观测暗物质和暗能量，寻找第一代天体。能用一年时间发现约7000颗脉冲星，研究极端状态下的物质结构与物理规律；有希望发现奇异星和夸克星物质；发现中子星——黑洞双星，无需依赖模型精确测定黑洞质量；通过精确测定脉冲星到达时间来检测引力波；作为最大的台站加入国际甚长基线网，为天体超精细结构成像；还可能发现高红移的巨脉泽星系，实现银河系外第一个甲醇超脉泽的观测突破；用于搜寻识别可能的星际通讯信号，寻找地外文明等等[10]。 500米口径球面射电望远镜落户贵州，为贵阳市以全力支持国家超大型科学装置建设为切入点谋求重大发展机遇、加速提升了贵阳市科技经济水平，开辟了新渠道。对贵阳市装备制造业、铝工业结构升级有重大意义。一，加快提升铝工业和装备制造业的创新能力。二，加快本地铝材料高新技术企业的成长和高性能高科技铝产业链的形成。三，促进贵阳市机电行业和三大军工企业的技术进步和技术升级。 500米口径球面射电望远镜建在贵州，使得边远闭塞的黔南喀斯特山区将变成世人瞩目的国际天文学术中心，成为把贵州展现给世界的新窗口。将会对中国西南贫困山区的经济发展和社会繁荣产生不可估量的影响，为国家西部开发战略贡献力量。以FAST为主体的天文科普基地将推进中国西部、甚至全国的科普工作，教育青少年、宣传公众与决策层，为科教兴国的长远战略目标服务。 500米口径球面射电望远镜项目建设将使贵州省在较短时间内发展成为国际一流的天文学交流中心、世界天文学的研究中心及天文科技旅游目的地之一。FAST不仅对推进世界天文学事业发展具有重大意义，而且对贵州教育、科技、旅游、科普和大数据据产业的发展具有重要的推动作用。
由中国集邮总公司发行的500米口径球面射电望远镜竣工纪念封
“中国天眼”FAST全景
