2021年04月13日 星期二
宇宙 演化简史 从“天眼”开始,大科学装置建设进入“大时代”
第18版:天眼 世界“巨眼” 2021-04-05

从“天眼”开始,大科学装置建设进入“大时代”

2020 年1 月9日, 工作人员对FAST 反射面板进行检修。

朱忠义在贵州黔南州平塘县大窝凼施工现场。

2020 年1 月11 日,专家学者对“中国天眼” 进行考察(检修期间拍摄)。

大科学装置,还是国家科技竞争力的体现。技术进步是社会进步最根本的动力,中国的大国工程,不仅服务于人们的日常生活,也要面向未来,给未来人们的发展开掘更大的空间。

记者|黄 祺

2020年末,曾有一则“中国天眼坍塌” 的谣言在网上流传。照片上,工程设施残破一地,看起来十分凄凉。这种“别有用心” 的谣言很快就被攻破:照片上的天眼实际上是位于美国的阿雷西博巨型射电望远镜。

美国天眼坍塌事故从另一个角度再次说明,口径巨大、暴露于户外的射电望远镜,对工程技术要求极高,它考验着一个国家在工程设计、施工、材料等等方面的综合能力。天眼的建设没有现成的“样板” 可以复制,在大山之中,建设者们所做的每一步推进都是“逢山开路、遇水搭桥” 的创新。

中国天眼的建设,将中国大科学装置工程的建设水平向前大大推进,继天眼之后,一批大科学装置投入建设。有了天眼的成功经验,中国的工程师在大科学装置建设上有了更多的自信,更多的科学梦想将陆续实现。

工程设计挑战: 做一个灵活的巨人

把建成后的天眼与20 多年前贵州省平塘县大窝凼村的照片对比,相信每个人心中都会升腾起“魔幻感”。

当地人所称的大窝凼,是喀斯特地貌中独特的一种洼地,当年的大窝凼形如一只巨碗,“碗底” 世代居住着几户人家,靠耕作土地为生,过着靠天吃饭的传统生活。在这个偏远的山村,人们受教育程度不高,很少有人去思考“天外有天”。

1996 年,几个说着普通话的人来到大窝凼四处勘察,大窝凼的村民第一次听说他们这里适合建设一个望远镜。带队的正是中国科学院国家天文台研究员、发起天眼项目并任工程首席科学家兼总工程师的南仁东,大窝凼则是他在西南地区遍寻建设地址的其中一个考察点。

大窝凼几乎天生就是一个“碗”,非常适合建设大口径望远镜,再加上位置偏远,具备了望远镜观测时所需的环境条件,经过复杂而全面的论证,南仁东筹划多年的天眼项目,最终确定落在大窝凼。

后来因为各种客观原因,500 米口径球面射电望远镜(以下简称FAST) 工程开工建设时,距离南仁东第一次考察大窝凼已经过去了15 年。2011 年 3 月 25 日,FAST 正式开工建设,2016 年 9 月 25 日竣工。

普通人参观天眼,带来震撼的首先是天眼这口大“锅”的大。所谓“500 米口径” 是指望远镜反射面球冠开口直径达500 米。如果有幸靠近天眼,人只能渺小到如设施上的一个零件。

但从工程专业角度,天眼的难度并不仅仅是“大”,而是在“大”的基础上还要成为一个“灵活的巨人”。无论从设计、施工还是材料来说,“灵活的巨人” 比单纯的“大” 难度系数翻了很多倍。

天眼工程由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司(BIAD) 等单位参与设计。作为天眼项目反射面主体支承结构设计负责人,北京市建筑设计研究院有限公司总工程师朱忠义2011年开始与南仁东团队接触和沟通,当年年底,北京市建筑设计研究院有限公司正式受国家天文台委托,承担“天眼” 反射面主体支承结构设计及反射面板与主体结构连接节点的分析工作。

朱忠义和他的团队,此前在复杂大跨度结构工程的设计上已经有了诸多成绩,如国家体育馆世界最大双向张弦结构的设计,就收获了很多奖项。不过,天眼仍是极具挑战的一个任务。

设计团队首先要面对的挑战是大窝凼复杂的地形。通常,大跨度的体育馆或者厂房等都建设在平地上,而天眼必须借助大窝凼天然的地形,这意味着天眼的“脚” 只能高高低低插进基础。朱忠义接受《新民周刊》采访时介绍,巨大的望远镜要建在地质和地貌都很复杂的岩溶洼地,首先支承柱高度在3 米至50 米不等,造成了圈梁、索网和基础受力复杂。同时,如何减小温差对结构的影响,也是设计师必须解决的问题。

我们看到的一口大“锅”,实际上由46 万块三角形单元拼接而成,支撑这些三角形面板单元的,是6000 多根钢索。最终,6000 多根钢索长度误差均未超过1 毫米。“我们普通的大跨度钢结构建筑,钢索误差一般可以在1 厘米,而天眼工程,对精度的要求就要高得多。”

朱忠义表示,更大的挑战是射电望远镜并非静止不动,它的反射面可以实时调整形态,是目前世界上唯一可主动变位的球面射电望远镜,中国天眼比美国阿雷西博射电望远镜的有效接收面积扩大了2.3 倍,灵敏度更是远远高于后者。

实现“可变” 的还是这张索网的柔性伸缩,这个关键技术在专业上叫“可主动变位的高精度索网结构”。

又要可变,又要精准,还要考虑户外环境中各种因素给结构带来的影响——比如温差、地震、风、暴雨带来的荷载等等。所有的影响因素放在一起,结合工程造价等等要求,设计团队最终拿出了一份被外界评价为“完美” 的设计方案。而为了这个方案,朱忠义和团队已经记不清多少次往返大窝凼与北京,大窝凼的临时板房成了大家共同的难忘回忆。

谈起天眼工程项目,朱忠义感慨良多。这是他的团队第一次承接天文大科学装置项目,是一次全新的挑战。与南仁东等天文科学家一起合作6 年,朱忠义收获了很多天文学知识,也在大科学装置的设计上积累了丰富的经验。他告诉《新民周刊》,南仁东先生工程经验非常丰富,在关键的判断和抉择上勇于担当责任,南仁东身上的精神让他钦佩。也因为天眼,朱忠义团队与科学设施结下缘分,此后又承接了其他的国家大科学装置重大工程。

材料与施工挑战:为天眼全面升级

钢结构索网是天眼的骨架,编织索网需要的关键零件有5 万多个。有了设计图,是否能将图纸完美地变成现实更是一个挑战。

近9000 根钢索是关键材料,它们支撑着反射面4450 块独立的反射板随意变形。而在2010 年,钢索疲劳实验失败,险些让天眼工程搁浅。

中科院国家天文台FAST 项目总工艺师王启明曾接受采访回忆:“这种索我们在做实验的时候,就发现国内没有,找了很多厂家没有能够满足我们要求的这种材料。”

朱忠义向《新民周刊》介绍,因为需要变化形态,钢索拉扯十分频繁,需要超高的疲劳强度,最大工作应力幅要达到500 兆帕,是国家标准的2.5 倍。当时国内没有生产符合要求材料的企业。所谓“疲劳”,说的是钢索在往复拉伸的过程中发生的损伤,经一定循环次数产生裂纹或突然发生完全断裂的过程,比如斜拉桥上的悬索,每次车辆经过桥面都会发生抖动,每次抖动对于悬索来说都会带来应力变化,那么桥梁的悬索就必须达到疲劳要求才能保证桥梁的安全。

技术人员对一些企业现有的产品进行疲劳试验,大多数张拉二三十万次钢索就断了,而天眼的要求是达到“500 兆帕应力幅下200 万次疲劳试验要求”。

在多家单位实验失败之后,国家天文台找到了柳州欧维姆机械股份有限公司寻求合作。公司原总工程师龙跃回忆:“当时,我在南宁跟天文台的王启明教授谈了三个小时,我觉得这个事情超乎我们的想像。同类型拉索里面,全世界最高的应力幅度也只有250 兆帕,500 兆帕(应力幅)前面所有的人都没有去尝试过。”

企业迅速成立了研究小组,从改进原材料入手,选用一种超级材料创新制成高弹力的钢丝。前后用了两年多的时间,柳州欧维姆机械股份有限公司的产品终于达到了要求。针对索头与索的衔接问题,研发团队大胆创新,为最容易断裂的索头也找到了全新的固定方法,最终突破了超高疲劳性能钢索结构研制、超大跨度索网安装方案设计、超高精度索结构制造工艺等关键技术,形成了14 项国家专利技术,使中国天眼工程避免了使用价格高出几倍的日本碳纤维拉索。

天眼提出的要求,让曾经为港珠澳大桥做出贡献的柳州欧维姆再次实现了技术的升级换代,如果更多的中国企业能够在一项项大国工程中实现技术提升,那么制造业强国的目标就会更快实现。

有了符合要求的材料,施工水平也必须跟上高标准。朱忠义表示,天眼的施工场地非常特殊,安装非常困难。施工企业创新了很多施工方法,因地制宜地解决了一个个难题。“从2016 年9 月竣工以后,天眼进入调试阶段,运行过程中,设施的精度达到了国家天文台制定的技术指标。调试阶段天眼就已经有了科学发现,这说明我们的设施达到了预想的效果。”

中国科学装置进入大发展阶段

“承接天眼项目,不仅我个人收获很大,我们团队的技术能力也有了很大的提高。” 作为天眼项目反射面主体支承结构设计负责人的朱忠义是如此感受,参与工程的企业、技术人员、施工单位也都是如此的感受。

结束天眼任务后,朱忠义团队又承接了另一个“超级工程”——中科院高能物理所在广东江门建设的江门中微子探测器。

2013 年,江门中微子实验站项目立项,2015 年正式开工建设。今年1 月新闻媒体报道,江门中微子实验站已完成第一阶段地下洞室的开挖,进入到第二阶段实验设备的安装,预计2023 年底投入运行。

为了减少宇宙射线对实验的干扰,江门中微子实验站的实验厅建在地下700 米深处。都说“上天容易入地难”,实验站位于地下700 米,给设计和施工带来不一样的挑战。

项目的地下建筑主要为斜井(1266 米)、竖井(564 米)、实验厅(跨度49 米、高71 米)及附属洞室。项目最核心的中心探测器为直径40 米的钢结构,约有10 层楼那么高。

项目负责人介绍,实验的探测器研制有三大技术挑战,包括世界最大的有机玻璃容器(35.4 米);探测效率世界最高的光电倍增管(国产微通道板型光电倍增管的探测效率>30%);世界最透明的液体闪烁体(衰减长度>20 米)。

这样一个深藏于地下的大科学装置,将为中国的物理学基础研究做出重要贡献。“大亚湾中微子实验让我国粒子物理实现跨越式高速发展,而江门中微子实验,则是以达到国际领先地位为目标,将解决国际中微子研究中下一个热点和重大问题”。“这不仅对理解微观的粒子物理规律作出重大贡献,也将对宇宙学、天体物理乃至地球物理作出重大贡献。” 中科院高能所研究员、开平中微子研究中心主任李小男说。

大科学装置也称大科学设施,是指通过较大规模投入和工程建设来完成、建成后实现重要科学技术目标的大型设施。大科学设施无疑对推动人类科学技术的发展有着独特的作用,但同时由于建设难度大,技术复杂,建设中需要研制大量非标的设备,对工程建设能力提出了更高的要求。

大科学装置,还是国家科技竞争力的体现。技术进步是社会进步最根本的动力,中国的大国工程,不仅服务于人们的日常生活,也要面向未来,给未来人们的发展开掘更大的空间。

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