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編者按
從“中國(guó)天眼”到“人造太陽(yáng)”，從“天問(wèn)”探火到北斗組網(wǎng)，從“嫦娥”奔月到萬(wàn)米深潛……中國(guó)創(chuàng)新的探索人類未來(lái)的尖端科技成果不斷驚艷亮相。事實(shí)上，正是中國(guó)無(wú)數(shù)科技工作者多年來(lái)默默無(wú)聞、矢志不渝的探索，才有如此斐然的科技成就集中噴發(fā)，從而集聚成強(qiáng)大的國(guó)家戰(zhàn)略科技力量。這些“中國(guó)創(chuàng)造”不僅為全人類探索和認(rèn)識(shí)宇宙作出貢獻(xiàn)，也向世界貢獻(xiàn)了大科學(xué)工程的中國(guó)經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐。
“中國(guó)天眼”打造探索宇宙新視角
清晨，貴州平塘大窩凼。望遠(yuǎn)鏡偌大的反射面從茫茫宇宙中抓取的射電信號(hào)數(shù)據(jù)，正源源不斷傳輸?shù)?00多公里之外的貴陽(yáng)天文大數(shù)據(jù)基地。
被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，自2016年9月25日落成啟用以來(lái)，已發(fā)現(xiàn)279顆脈沖星，是同期國(guó)際上其他望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星總數(shù)的2倍多；多次捕捉到極罕見(jiàn)的快速射電暴爆發(fā)；參與揭示的一種快速射電暴起源機(jī)制入選《自然》十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)……“中國(guó)創(chuàng)造”擦亮深邃“天眼”，探求著宇宙奧秘。
以創(chuàng)新思維開(kāi)拓科研之基
工欲善其事，必先利其器?！爸袊?guó)天眼”的建造，是飽含戰(zhàn)略眼光的超前部署。
20世紀(jì)90年代，當(dāng)國(guó)際上還在為新一代大射電望遠(yuǎn)鏡怎么建、在哪建爭(zhēng)論不休時(shí)，以南仁東為首的中國(guó)科技工作者提出一個(gè)極富挑戰(zhàn)、近乎天馬行空的設(shè)想，得到了國(guó)家支持。
“獨(dú)立自主建”“利用喀斯特地貌建”“技術(shù)不成熟就一邊研究一邊建”。南仁東等人明確了這三條后，連望遠(yuǎn)鏡要落戶的喀斯特洼坑在哪都不知道，就開(kāi)始干了。
帶著幾百幅衛(wèi)星遙感圖，幾個(gè)人踏上漫漫十年尋址路。要給望遠(yuǎn)鏡找個(gè)最合適、節(jié)約成本的“家”，光看遙感圖不行，只能用雙腳“丈量”。經(jīng)過(guò)反復(fù)篩選，最終在貴州省平塘縣找到了大窩凼——最適合“天眼”的深深“眼窩”。
過(guò)去同類射電望遠(yuǎn)鏡的反射面是固定的，只能通過(guò)改變接收機(jī)的位置掃描天空中約20度的帶狀區(qū)域。為了在同等工程體量下獲取更大觀測(cè)范圍，南仁東想出主動(dòng)反射面的構(gòu)想，并連夜畫(huà)在草稿本上。
當(dāng)時(shí)，在一些人看來(lái)，那是一張工程科技很難支撐的“草圖”。南仁東一邊帶著團(tuán)隊(duì)做實(shí)驗(yàn)，一邊到各大院所、高?！罢斜I(mǎi)馬”。
2010年8月，工程開(kāi)工前夕。“國(guó)內(nèi)頂級(jí)的應(yīng)用于斜拉橋上的鋼索，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度是200兆帕、抗200萬(wàn)次彎曲，用在‘天眼’實(shí)驗(yàn)上都斷了?！睍r(shí)任饋源支撐系統(tǒng)總工程師的孫才紅說(shuō)。
當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)索疲勞問(wèn)題的是剛到國(guó)家天文臺(tái)工作的力學(xué)博士姜鵬。他立下“軍令狀”，與一家企業(yè)合作，進(jìn)行了有史以來(lái)最系統(tǒng)、最大規(guī)模的索疲勞試驗(yàn)，經(jīng)歷近百次失敗，用了一年半時(shí)間終于找到突破口，研制出滿足要求的鋼索。
“天眼”團(tuán)隊(duì)一天天壯大。光是為主動(dòng)反射面這個(gè)創(chuàng)新思維，便有幾十個(gè)人貢獻(xiàn)自己所學(xué)，聯(lián)合院所、高校、企業(yè)等各方力量，完成了一連串創(chuàng)新。
以不懈努力保障科研環(huán)境
“天眼”落成啟用時(shí)，姜鵬已接過(guò)總工程師的擔(dān)子。調(diào)試和運(yùn)維一點(diǎn)也不輕松，控制反射面索網(wǎng)的液壓促動(dòng)器工作強(qiáng)度非常高，工程師每天都要巡檢，誰(shuí)也不知道壞了幾個(gè)促動(dòng)器會(huì)不會(huì)影響觀測(cè)效果，陷入疲于檢修的重復(fù)勞動(dòng)中。
“姜鵬提出必須建一個(gè)反射面安全評(píng)估系統(tǒng)?！痹谕h(yuǎn)鏡調(diào)試中負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)的工程師李輝說(shuō)，按照這個(gè)思路，團(tuán)隊(duì)利用全過(guò)程仿真技術(shù)，把整個(gè)反射面用力學(xué)模型完全數(shù)字化，“哪個(gè)促動(dòng)器壞了，哪個(gè)節(jié)點(diǎn)工作不正常，都能在總控室的安全評(píng)估系統(tǒng)中顯示”，并模擬出對(duì)觀測(cè)的影響，一旦超出安全范圍會(huì)自動(dòng)報(bào)警。
2200多個(gè)促動(dòng)器中，誤差或斷通訊數(shù)量超過(guò)40個(gè)，“天眼”就必須暫停觀測(cè)。有反射面安全評(píng)估系統(tǒng)作保障，這種情況從未發(fā)生過(guò)。
如果反射面板出問(wèn)題怎么辦呢？厚度僅1毫米的面板，弧度大到50多度，直接站上去肯定不行。工程師想到了模仿“太空行走”。
這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)叫“微重力蜘蛛人”，使用一個(gè)直徑7.6米的氦氣球?qū)⑦\(yùn)維人員的體重減少到反射面板能承受的重量，使得人員能夠到達(dá)反射面任意地方執(zhí)行巡檢和維護(hù)作業(yè)。
科學(xué)家也沒(méi)有停止對(duì)“天眼”的技術(shù)更新。北京大學(xué)教授、中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員李柯伽說(shuō)，除了聚焦科學(xué)本身，跟“天眼”相關(guān)的天文儀器設(shè)備研制正在有序推進(jìn)。
“天眼”觀測(cè)的是來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的微弱電磁信號(hào)，要求臺(tái)址電磁干擾水平極低，必須減少常規(guī)強(qiáng)干擾源，控制小功率干擾源，防止噪聲背景惡化，預(yù)防偶發(fā)干擾。
為了讓望遠(yuǎn)鏡能“安靜”地仰望星空，方圓5公里核心區(qū)里數(shù)千名群眾搬離故土開(kāi)啟新生活；平塘縣關(guān)閉了核心區(qū)內(nèi)及其附近的所有通信基站；羅甸縣擱置了機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目；黔南布依族苗族自治州境內(nèi)劃出了方圓近30公里的電磁波寧?kù)o區(qū)……系列舉措為“天眼”筑起一道道安全運(yùn)行防護(hù)網(wǎng)。
以開(kāi)放心態(tài)推動(dòng)科學(xué)合作
天文學(xué)的每一項(xiàng)重大成就，都豐富了人類知識(shí)寶庫(kù)；天文學(xué)與其他學(xué)科交叉融合實(shí)現(xiàn)的每一次重大突破，都對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)乃至人類文明進(jìn)步帶來(lái)深刻影響。
自2020年初正式開(kāi)放運(yùn)行以來(lái)，中科院國(guó)家天文臺(tái)實(shí)現(xiàn)了“天眼”這座天文學(xué)利器的高水平管理和運(yùn)行，但作為大科學(xué)計(jì)劃、大科學(xué)工程、大科學(xué)中心中的一員，它的科學(xué)征途才剛剛起航。在科學(xué)家眼中，它能刺穿“光年之外”，能洞悉宇宙“前世”，是個(gè)身在洼地、心系深空的“天空實(shí)驗(yàn)室”。
“在某些觀測(cè)能力上有飛躍的設(shè)備，總會(huì)有意想不到的發(fā)現(xiàn)?！敝锌圃簢?guó)家天文臺(tái)研究員、“中國(guó)天眼”首席科學(xué)家李菂說(shuō)，“中國(guó)天眼”的靈敏度超群，使它在很多領(lǐng)域具備超強(qiáng)“發(fā)現(xiàn)力”，以及突破的潛力。它可以驗(yàn)證和探索很多宇宙奧秘，比如引力理論驗(yàn)證、星系演化、恒星和行星起源，乃至物質(zhì)和生命的起源等。
李菂說(shuō)，天文學(xué)是個(gè)開(kāi)放的學(xué)科，大部分“天眼”早期科學(xué)成果都有國(guó)際專家參與。2021年4月面向全球科學(xué)界開(kāi)放后，交流合作會(huì)更多?！爸袊?guó)天眼”科學(xué)委員會(huì)和時(shí)間分配委員會(huì)的成員是中國(guó)人，但相關(guān)評(píng)審是按照提交申請(qǐng)所屬的專業(yè)領(lǐng)域，交由國(guó)際頂尖專家評(píng)審，完全與研究前沿接軌。
由于“天眼”是中國(guó)獨(dú)資的大科學(xué)工程，有既定的科學(xué)任務(wù)和規(guī)劃，包括多科學(xué)目標(biāo)漂移掃描巡天、中性氫星系巡天、銀河系偏振巡天、脈沖星測(cè)時(shí)、快速射電暴觀測(cè)等在內(nèi)的先導(dǎo)項(xiàng)目，大多已由中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜。
據(jù)李菂介紹，在時(shí)間分配上，外國(guó)科學(xué)家總計(jì)可以分享10%的望遠(yuǎn)鏡時(shí)間，按照項(xiàng)目評(píng)審的打分情況，在這10%的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行分配，預(yù)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)比較激烈。
“不管項(xiàng)目是誰(shuí)在牽頭，大家都是朝著同樣一個(gè)科學(xué)目標(biāo)邁進(jìn)?！崩羁沦ふf(shuō)，自己除了繼續(xù)關(guān)注快速射電暴觀測(cè)，還在利用“天眼”進(jìn)行納赫茲引力波探測(cè)。相信“天眼”在超大質(zhì)量或者極低質(zhì)量脈沖星、黑洞脈沖星雙星等領(lǐng)域也有取得舉世矚目成就的機(jī)會(huì)。
人類只有一個(gè)天空，一個(gè)宇宙?；厮菰跤钪妫沂靖嘤钪鎶W秘，這是建造“天眼”的原動(dòng)力，也是終極目標(biāo)。因此，“天眼”需要聯(lián)合各國(guó)科學(xué)家，以開(kāi)放的態(tài)度對(duì)全球開(kāi)放。外國(guó)科學(xué)家可以獨(dú)立或者作為首席專家主導(dǎo)一些研究項(xiàng)目，有潛力的探索性項(xiàng)目也會(huì)得到支持。
為世界科學(xué)界提供中國(guó)智慧，為全球工程界提供中國(guó)技術(shù)，為人類外空命運(yùn)共同體提供中國(guó)貢獻(xiàn)和中國(guó)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)……在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，“中國(guó)天眼”將為國(guó)際科學(xué)界持續(xù)探索宇宙、嘗試尋找未知事物帶來(lái)更多新視角，為引領(lǐng)人類突入認(rèn)知新領(lǐng)域作出更大貢獻(xiàn)。（經(jīng)濟(jì)參考報(bào) 記者齊健）
“天問(wèn)一號(hào)”揭開(kāi)深空探測(cè)新篇章
新春伊始，行進(jìn)在探火征途上的“天問(wèn)一號(hào)”接連傳來(lái)好消息：春節(jié)前夕，“天問(wèn)一號(hào)”傳回首幅火星照片；臘月二十九，探測(cè)器成功實(shí)施火星捕獲，開(kāi)啟環(huán)繞火星之旅；大年初一，火星捕獲過(guò)程影像公布，那是來(lái)自火星的新春祝福；大年初四，“天問(wèn)一號(hào)”成功實(shí)施捕獲軌道遠(yuǎn)火點(diǎn)平面機(jī)動(dòng)，將軌道調(diào)整為經(jīng)過(guò)火星兩極的環(huán)火軌道……
環(huán)火成功的背后，是一個(gè)個(gè)必須攻克的技術(shù)難題：火星捕獲時(shí)只有一次機(jī)會(huì)的一腳剎車如何踩準(zhǔn)？上億公里外的火星探測(cè)器如何開(kāi)展自主管理？
從地球到火星的轉(zhuǎn)移是漫長(zhǎng)的旅行。火箭發(fā)射是整個(gè)飛行過(guò)程的開(kāi)始，在發(fā)射37分鐘后，探測(cè)器與火箭于距離地面670千米的太空中進(jìn)行分離，探測(cè)器至此進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，在地火轉(zhuǎn)移軌道上經(jīng)歷了200多天的飛行，在地面測(cè)控系統(tǒng)的支持下，經(jīng)過(guò)4次中途修正和1次深空機(jī)動(dòng)修正飛行路徑，環(huán)繞器逐漸飛近火星，進(jìn)入火星捕獲段。
火星捕獲是火星探測(cè)任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)之一，由于火星捕獲窗口的唯一性，捕獲的成敗決定了火星探測(cè)任務(wù)的成敗，這一點(diǎn)火制動(dòng)過(guò)程通常被稱為“踩剎車”。剎車踩早了，探測(cè)器速度降得過(guò)低，探測(cè)器會(huì)墜入大氣層撞擊火星；剎車踩晚了，探測(cè)器就不能被火星引力捕獲，從而飛離火星。
來(lái)自中國(guó)航天科技集團(tuán)八院的專家告訴記者，為了精確把控發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)時(shí)機(jī)，環(huán)繞器在近火捕獲前需要由地面對(duì)其進(jìn)行精確的無(wú)線電測(cè)定軌，再結(jié)合從環(huán)繞器上光學(xué)自主導(dǎo)航儀器中獲得的導(dǎo)航信息，得到環(huán)繞器和火星的精確位置。制動(dòng)過(guò)程中，依靠可靠的捕獲策略，確保探測(cè)器處于“捕獲走廊”直至進(jìn)入環(huán)火軌道。
此外，制動(dòng)過(guò)程還需要火星環(huán)繞器具備自主應(yīng)對(duì)器上突發(fā)故障能力，確?；鹦遣东@過(guò)程開(kāi)展順利可靠。
捕獲段是火星探測(cè)器進(jìn)入火星的引力范圍到最終被火星捕獲的階段，是火星探測(cè)任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高、最為重要的環(huán)節(jié)之一，關(guān)系任務(wù)的成敗。地外天體捕獲制動(dòng)是實(shí)現(xiàn)月球、火星等深空天體探測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵，而捕獲制動(dòng)控制技術(shù)又是決定捕獲制動(dòng)是否成功的關(guān)鍵。
專家介紹，當(dāng)航天器進(jìn)入目標(biāo)天體影響球內(nèi)，相對(duì)目標(biāo)天體的軌道通常為雙曲線軌道，因此必須進(jìn)行減速機(jī)動(dòng)，否則將沿著雙曲線軌道飛離目標(biāo)天體，這一減速機(jī)動(dòng)過(guò)程稱為捕獲制動(dòng)。
此次火星探測(cè)任務(wù)捕獲期間，探測(cè)器距離火星僅400千米，相對(duì)火星的速度卻高達(dá)每秒4千米至5千米。捕獲過(guò)程中，火星環(huán)繞器需準(zhǔn)確進(jìn)行點(diǎn)火制動(dòng)，如果制動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，探測(cè)器速度下降過(guò)多，探測(cè)器就會(huì)一頭撞上火星；如果制動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間過(guò)短，探測(cè)器速度過(guò)快，就會(huì)沿拋物線軌跡飛離火星。
“打個(gè)比方，地火轉(zhuǎn)移軌道就像是一條以太陽(yáng)為中心的橢圓形閉環(huán)高速，火星只是這條高速上的一個(gè)出口，一旦探測(cè)器不能及時(shí)剎車從火星出口下高速，那就只能多繞一圈、花費(fèi)數(shù)年到下次路過(guò)該出口了?！敝袊?guó)航天科技集團(tuán)八院“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器副總指揮張玉花說(shuō)。
由于火星探測(cè)器從地球飛向火星的過(guò)程中能夠被火星引力所捕獲的機(jī)會(huì)只有一次，且時(shí)間僅30分鐘左右，不能中斷；捕獲時(shí)探測(cè)器距離地球1.92億千米，無(wú)線電通信雙向延時(shí)達(dá)20多分鐘，地面無(wú)法對(duì)這一制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，只能依靠探測(cè)器自主執(zhí)行捕獲策略。
“在太陽(yáng)系里，八大行星以太陽(yáng)為核心公轉(zhuǎn)，形成了八個(gè)環(huán)形軌道，其中地球位于‘三環(huán)’，火星則在‘四環(huán)’。”中國(guó)航天科技集團(tuán)六院11所副總設(shè)計(jì)師蘭曉輝介紹：“3000牛軌控發(fā)動(dòng)機(jī)承擔(dān)著三項(xiàng)任務(wù)，一是‘三環(huán)’轉(zhuǎn)移到‘四環(huán)’過(guò)程中的姿態(tài)修正，二是‘四環(huán)’上的‘剎車制動(dòng)’，三是火星附近的軌道調(diào)整。就像一位盡職盡責(zé)的快遞小哥。”
近似于真空的太空環(huán)境暗流涌動(dòng)，隱藏著多種看不見(jiàn)的干擾因素，如星球引力攝動(dòng)、太陽(yáng)風(fēng)、空間輻射等。為了防止“天問(wèn)一號(hào)”不打招呼地“跑偏”，設(shè)計(jì)人員綜合考慮了各種因素，進(jìn)行了大量計(jì)算，設(shè)計(jì)出了一條精密的軌道，在發(fā)射前上傳至發(fā)動(dòng)機(jī)，給了它一份“離線地圖”。
火星的質(zhì)量只有地球的十分之一，引力遠(yuǎn)小于地球，探測(cè)器在近火軌道必須及時(shí)“剎車”，否則會(huì)掠過(guò)火星，這就要考驗(yàn)“快遞小哥”剎車是否踩得穩(wěn)、準(zhǔn)、狠。在此次近火制動(dòng)任務(wù)中，3000牛軌控發(fā)動(dòng)機(jī)快速點(diǎn)火啟動(dòng)，并在額定點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定工作。
“從2010年立項(xiàng)到2016年定型，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了多項(xiàng)考核，充分驗(yàn)證了各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)，我們充滿信心。”蘭曉輝說(shuō)。
火星是太陽(yáng)系中距離地球較近、自然環(huán)境與地球最為類似的行星，一直是人類走出地月系統(tǒng)開(kāi)展深空探測(cè)的首選目標(biāo)。作為中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)，“天問(wèn)一號(hào)”揭開(kāi)了中國(guó)深空探測(cè)新篇章。國(guó)家航天局有關(guān)負(fù)責(zé)人表示，接下來(lái)“天問(wèn)一號(hào)”將按計(jì)劃進(jìn)行火星環(huán)繞、著陸和巡視，對(duì)火星開(kāi)展全球性、綜合性的環(huán)繞探測(cè)，在火星表面開(kāi)展區(qū)域巡視探測(cè)。（經(jīng)濟(jì)參考報(bào) 記者胡喆）
