FAST研制历程

中国科学院国家天文台

FAST 源自我国天文学家参与大射电望远镜LT 暨平方公里阵SKA国际合作。基于多学科交叉、大胆创新，老中青FAST 合作团队风雨兼程20 余年，成功研制了500 米口径球面射电望远镜FAST，天眼出东方(图1)。

图1 天眼出东方：美丽的科学风景(图片来源: NAOC)

20 世纪90 年代初，荷兰、英国与前苏联几位天文学家几乎同时提出建造新一代大射电望远镜(LT)的设想。拟在地球上无线电环境被彻底毁坏之前，用LT 回溯宇宙原初。如果失去这个机会，人们只能到月球背面去建同样的大射电望远镜。

第一篇LT 论文的作者彼得·威尔金森指出：宇宙的百科全书是用微弱的21 厘米氢谱线写成的，要阅读它需要非常灵敏的望远镜。LT 接收面积相当于100 个100 米直径单天线，或14 个阿雷西博型300 米单天线。当时，世界上只有一台1972 年建成的德国埃费尔斯贝格100 米抛物面望远镜，只有一台1963年建成的美国阿雷西博305米球面望远镜。

1993 年5 月，理查德·斯特罗姆在北京拜访中国射电天文奠基人王绶琯时，通报了酝酿中的LT计划。王绶琯先生明确中国应积极参与，提议由南仁东牵头LT中国推进。8 月日本京都国际无线电科联第24 届大会上，澳大利亚、加拿大、中国、德国、法国、印度、荷兰、俄罗斯、英国和美国天文学家联合倡议：建造接收面积达一平方公里的大射电望远镜LT(1999 年易名SKA)，组建了工作组LTWG，吴盛殷作为中方代表参加。2000年国际天文学联合会大会上，包括中国在内11 国签订SKA 合作协议，当地报纸(图2(a))列出其可能技术路线，中国KARST方案名列榜首。

图2 英国2000 年报纸：中、加、美、荷、澳五种SKA方案(a), 代表们在76 米望远镜前合影(b)

1994 年北京天文台组建大射电望远镜项目组(简称LT 课题组)，启动选址，争取将LT 建在中国。在青海、新疆、四川、内蒙古、广西和湖南等平坦地貌，以及云南、广西等岩溶地貌选址基础上，考虑澳大利亚地广人稀、天文厚实等优势，我们放弃平坦地貌，联合中科院遥感所等推进利用喀斯特洼地、建造阿雷西博型望远镜阵列KARST。

1995 年7 月，LT课题组在北京密云主办大射电望远镜方案研讨会，邀请微波、电子、天线及相关企事业单位专家，针对轻型索拖动线馈源构想、大型天线支撑结构等集思广益。10 月，北京天文台联合贵州省科委在贵阳花溪承办LT工作组第三次国际会议(图3)。西安电子科技大学(简称西电)段宝岩等提交阿雷西博改进型馈源无平台支撑概念，被评价为“大胆的创新”。11 月，由LT课题组发起，贵州省科委、中科院遥感所、西电、北大等15 家单位组建LT中国推进委员会，时任北京天文台副台长南仁东任主任。

图3 1995 年10 月，大射电望远镜工作组第三次暨球面射电望远镜学术会议在贵阳花溪宾馆召开

1996 年8 月，我们在美国巴尔的摩IAU S179 会议上介绍了利用喀斯特洼地作台址、建造轻型索拖动馈源阿雷西博类型望远镜阵列方案KARST。12月在北京召开LT 中国推进委员会第二届学术年会，议题涉及洼地选址及数据库建立(中科院遥感所)、固定球面望远镜性能若干思考(北京天文台)、馈源的计算机驱动和控制(西电)、混合馈源研究及模型实验建议(原航天工业总公司23 所)、多线馈系统及其无色散传播(原电子工业部14 所)、相控阵馈源应用可能性(西电)等。同时提出可独立于LT 的KARST先导单元设想。

1997 年初，王绶琯写给南仁东和我的信中提到：“天顶角能实现多大？天顶角问题太重要了。一线成功机会都应认真挖掘”。我们专题讨论了单天线天顶角、口径和跟踪时间关系，提出单元口径520米，照明口径300米，最大无损天顶角30°等技术指标。6月，综合洼地台址、馈源轻型支撑及固定球反射面等，形成了先导单元方案FAST——500 米口径球面射电望远镜。

1997 年夏，王绶琯、叶叔华、陈建生三院士考察贵州候选台址(图4)，北京天文台邱育海提出巨型球反射面主动变形设想。针对变形涉及上千点实时控制问题，王绶琯先生咨询了杨嘉墀院士。而陈建生对大装置性能唯一性的“考问”，促使FAST 科学凝练更具特色。

图4 1997 年5 月31 日，左起：吴盛殷、彭勃、陈建生、王绶琯、叶叔华和聂跃平在贵州选址交流

效仿国家863 计划启动经验，我们起草了推荐FAST 项目的院士联名信，承载着王绶琯、陈芳允、杨嘉墀和陈建生四院士对FAST 项目的严谨与担当。1998 年2 月，中科院时任院长路甬祥在四院士推荐信上批示，明确FAST可作为国家大科学工程候选项目。3 月，英国皇家天文学会月会上，集成主动反射面、光机电一体化无平台索驱动馈源、喀斯特洼地台址“三大创新”的FAST 完整概念在国际“现身说法”。参观二战后最大单天线76 米洛弗尔望远镜时，我们与其总设计师伯纳德·洛弗尔爵士等交流FAST 核心科学、先进馈源接收机中英合作。4 月7-9 日LT中国推进委员会第三届暨FAST 项目委员会第一届学术年会官宣FAST 完整概念，将LT推进委员会重组为FAST项目委员会(图5)。

图5 FAST项目委员会机构设置(原透明胶片)

不久，FAST 被遴选为知识创新工程首批重大项目，有了第一笔大钱400 万元。FAST关键技术由“纸上谈兵”步入试验，各课题单位、学术带头人和研究方向主要有：北京天文台南仁东、彭勃和邱育海承担FAST总体；中科院遥感应用所聂跃平、朱博勤承担台址评估；西电段宝岩、清华大学任革学承担馈源支撑；同济大学李国强、南京天文仪器研制中心屈元根承担主动反射面；北京理工大学丁洪生承担馈源支撑二次稳定平台；中科院数学与系统所韩京清承担控制策略；解放军信息工程大学郑勇承担工程测量；清华李国定等承担电性能分析。

1999 年中科院改革天文台系统，创建了七大实验室。南仁东为大射电望远镜(FAST)实验室主任，领导FAST项目从完整概念到关键技术试验，以密云FAST 整体模型MyFAST建成、FAST国家立项而“修成正果”。

2006 年3 月，中科院聘请美国国立射电天文台长鲁国镛、上海天文台名誉台长叶叔华为联合主席，共17 位国内外专家组成FAST立项咨询与评估委员会，在北京友谊宾馆对FAST科学目标、技术指标、总体方案、可行性、项目管理及人员配置、投资和工程进度、望远镜建成后运行计划等全面评估。

考虑FAST 项目诸多创新和技术挑战，科学目标多在5 吉赫兹以下，评估委员会专家建议把频率上限X波段(同阿雷西博望远镜)作升级目标，指出：FAST科学优先级在700~5000 兆赫兹。以观测脉冲星验证广义相对论、探测引力波和研究极端条件下核物质，发现奇异类型天体等为优先领域。称赞设立“电波环境安静区”，鼓励对电波环境进行不间断监测和有效控制，同时抑制望远镜自身干扰。还建议要充分考虑数据获取与储存、数据传输和处理、数据存档和虚拟天文台等。评估意见简版提交到中科院，作为FAST立项建议书附件报国家发改委；详版对完善细节给出中肯意见，优化和指导FAST可行性研究、建设和运行。借鉴大科学工程LAMOST经验，大射电望远镜实验室把FAST 工程验收指标降为3吉赫兹，聚焦脉冲星和中性氢两大科学。

2012 年夏，针对FAST索网反射面关键技术“争议”暨“索疲劳”问题，中科院组织“额外”评估，组长是斯特罗姆，为反射面创新提供了国际咨询和专业担当。

2005 年，大射电望远镜实验室启动建造密云FAST 整体模型MyFAST，包括均布在50 米直径圆上4 个12 米钢塔(2007 年在40 米直径新建6 座塔)、30 米直径反射面圈梁、预应力球形索网、纸盒锡箔纸馈源、简易接收机、综合布线与测量系统等，由清华、哈工大和解放军信息工程大学等合作研制(图6)，这是FAST索网主动反射面的试验模型，更是集三大创新、机构完整的射电望远镜。

图6 密云FAST整体模型MyFAST

2006 年9 月6 日，MyFAST 成功观测了银河系中性氢，在荷兰射电天文台每日一图公告世界。作为贵州FAST 先导，密云FAST 整体模型堪称北京“小天眼”，为FAST工程可行性提供了重要支撑，为在黔南州平塘县开工、为主动反射面和馈源支撑系统建设，以及FAST运行提供了宝贵实践，使科技管理层和多学科专家对射电望远镜、频率保护及未来FAST“模样”等有了近距离接触。

2011 年3 月25 日，FAST项目开工报告获批，以台址勘察与开挖工程为先导，开始了长达5 年半的施工。建设了九大系统(或部门)：台址勘察与开挖、主动反射面、馈源支撑、测量与控制、接收机与终端、观测基地系统，科学部、电磁兼容组和工程办公室。聘请管理公司、监理公司对工程全面监管，上千名工人为FAST工程实施付出了辛劳。我们用图片及影像记录了FAST 施工现场每一天，开大科学工程全程拍摄之先河。

FAST台址与观测基地坐落在贵州省黔南州平塘县克度镇，由台址勘察与开挖、观测基地两个基建系统组织实施。2011 年3 月至2012 年12 月底，实施了场地勘界、植被清理、详细勘探、支撑塔柱地基地球物理详勘、大窝凼洼地底部落水通道勘察与保护、洼地土石方开挖、台址边坡稳定性防护、工程面地形测绘、锚杆钻探施工与加固等工程，奠定了巨型反射面、馈源支撑塔的建设基础。

2015 年10 月至2016 年7 月进行观测基地(图7)施工。主要完成了综合楼、厂房、变电所、净化站、污水处理站、取水站、测量专用基准站设备房、其他零星建筑，进场道路、场内道路及广场工程，以及室外给排水工程、排水隧道、室外电力工程、室外电信引入以及望远镜其他配套工程等。

图7 FAST观测基地：台址开挖及场区道路(a)、FAST综合楼工程(b)

FAST主动反射面系统(图8)主体结构采用索网支撑方式，网格为尺度约11 米的三角形空间网架，通过下拉索和促动器实现主动变形。主要实施了地锚、反射面支撑圈梁基础，反射面索网主索段、下拉索段及索网节点制造和安装，促动器、背架、面板的制造和安装等。

图8 FAST主动反射面系统：圈梁(a)、地锚、促动器(b)建设实景

反射面圈梁采用管桁架结构，宽11 米、高5.5米，由50 根等距分布的格构柱支撑，制造和安装工程从2013 年4 月至12 月。2014 年7 月至2015 年2月，将6670 根钢索编织成500 米口径球冠面主索网。反射面单元吊装工程从2015 年8 月2 日开始，历时11 个月，包括4300 个三角形、150 个边缘异型铝合金面板单元和背架。

FAST馈源支撑(图9)工程主要包括：百米高的钢结构支撑塔、索驱动机构、馈源舱及其停靠(或入港)平台和动态监测软硬件等。

图9 FAST馈源支撑系统：馈源塔(a)和馈源舱索驱动体系(b)

2014年3月至11月，制造的6座百米高塔均匀安装在距反射面中心600米的环路上。2014年10月至2015 年5 月，馈源支撑塔相应的6 根并联柔性钢索，与馈源舱、卷索机构组成了柔索牵引并联机器人。2015年11月21日，FAST馈源支撑系统首次升舱成功。

FAST 测量与控制系统包括望远镜总控、反射面控制及安全评估、馈源支撑整体控制、索驱动控制、馈源舱控制系统，舱停靠平台监测单元，反射面测量、反射面健康监测、馈源支撑测量、馈源支撑健康监测系统。建立高精度大地基准控制网和时间基准，实施高精度地形图测绘以及大型构件制造、安装过程中的检测和定位测量。

从2013 年5 月至2014 年10 月，FAST测量基准网(图10)的24 个测量基墩施工，配置了激光全站仪、全球导航卫星系统GNSS、全球卫星定位系统GPS-RTK设备等。馈源支撑系统通过网络通信控制一次索支撑平台位姿；主反射面测量目标是单元面板面形测量、中性球面整网节点静态测量，以及动态变形时整网节点实时测量。从2014 年4 月至2015 年8 月，进行台址现场布线设计与施工，实现了主动反射面整网控制。

图10 夜幕下，测量基墩及分布在反射面上的靶标

FAST馈源与接收机系统主要包括：馈源、低噪声接收机、制冷机、中频数据传输、数据处理终端、氢钟和信号分配设备，以接收反射面焦点处汇聚的电磁波。初步设计时的9套接收机被优化为7套，与加州理工学院联合设计、在中国制造了270-1620 兆赫兹超宽带接收机(图11)；澳大利亚主导研制了1050-1450兆赫兹19波束接收机；其余是自主研制。

图11 FAST配置的超宽带馈源

接收机的工作参数，如制冷温度、杜瓦真空度、制冷机氦气压力等，通过光纤传到地面观测室，可实时监视。同时可远程监测接收机状态、诊断系统故障。

FAST 具有超高灵敏度，极易受到外部有源业务如移动通信、雷达、广播电台、导航业务等干扰，影响数据质量和科学产出。

1998 年LT 课题组起草了无线电频率保护文件，开始对贵州潜在候选台址区的保护。2006 年11月22 日，《贵州省无线电管理办法》以省政府令公布。2010 年，大射电望远镜实验室成立电磁兼容工作组。2013 年10 月1 日起实施《贵州省500 米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》，将电磁波宁静区划分成三个不同保护要求区域，即半径5千米的核心区、半径10 千米的中央协调区以及半径30 千米的边远协调区。2016 年9 月25 日，《黔南布依族苗族自治州500 米口径球面射电望远镜电磁波宁静区环境保护条例》地方性法规颁布。2017 年8月FAST上空航线完成“改道”。2018 年组建电磁环境保护中心。

FAST 工程团队(图12)攻坚克难，打磨出30 个足球场大“锅”，Make the impossible possible and real。FAST 凝聚着无数科技人员的智慧和心血、全国尤其是贵州人民的付出和支持，以及国际友人的关心和帮助。特别是FAST代表团10 多次赴波多黎各，学习阿雷西博望远镜建造、运行和管理经验。20 多年引进到的人才屈指可数，主要依靠自己培养的人才、借力合作单位资源，以及招聘中“捡”的人才，完成了FAST 关键技术攻关和设备研制的科技长征。立项建议书批复的建设费为6.27 亿元人民币，实际决算接近12亿元。

图12 贵州省黔南州平塘县FAST台址综合楼大厅的工程团队墙报

2016 年9 月25 日，国家发改委、科技部、国家自然科学基金委、中科院和贵州省有关领导和FAST合作者代表齐聚贵州，举行了简朴而隆重的FAST“生日庆典”。习近平主席发来贺信，寄语中国天眼团队早出成果、多出成果，出好成果、出大成果。我们还在天文小镇星辰天缘大酒店，以大(射电)望远镜为题，举办首届国际射电天文论坛RAF，开启国际学术交流中心。

2017 年8 月，处于调试期的FAST 使得中国人首次发现脉冲星。2019 年4 月18 日，FAST 执行国内用户风险共担开放观测；22 日完成工艺验收。5月FAST 首批科学成果在《中国科学》以专刊发表，24 日完成工程设备验收、27 日档案验收、30 日建安和财务专业验收。11 月，中科院和贵州省组织FAST 电磁波宁静区电波环境评估。2020 年1 月，FAST 工程通过国家验收，转入科学运行。4 月30日，FAST 向国内开放自由观测申请。2021 年3 月31日，FAST向全球开放观测申请。

FAST 源自大科学国际合作计划，受益于科研院校和企业广泛合作，推动了众多高科技领域创新。贵州省科委在FAST预研究至立项13 年间、贵州省发改委在立项至工程竣工10 年间，先后作为中科院与贵州省FAST 地方协调组办公室，担当贵州“第一接触”。建成后的FAST拥有良好的无线电环境，取得了一系列新发现、好成果。FAST不仅当了大射电望远镜世界老大，还形成了独特的科学风景(图1)，成就了大科学工程与地方发展命运共同体！

本文选自《现代物理知识》2022年第5期 YWA编辑

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