中國大科學工程集聚國家戰(zhàn)略科技力量

　　從“中國天眼”到“人造太陽”，從“天問”探火到北斗組網，從“嫦娥”奔月到萬米深潛……中國創(chuàng)新的探索人類未來的尖端科技成果不斷驚艷亮相。事實上，正是中國無數科技工作者多年來默默無聞、矢志不渝的探索，才有如此斐然的科技成就集中噴發(fā)，從而集聚成強大的國家戰(zhàn)略科技力量。這些“中國創(chuàng)造”不僅為全人類探索和認識宇宙作出貢獻，也向世界貢獻了大科學工程的中國經驗和創(chuàng)新實踐。

　　“中國天眼”打造探索宇宙新視角

　　清晨，貴州平塘大窩凼。望遠鏡偌大的反射面從茫茫宇宙中抓取的射電信號數據，正源源不斷傳輸到100多公里之外的貴陽天文大數據基地。

　　被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡，自2016年9月25日落成啟用以來，已發(fā)現279顆脈沖星，是同期國際上其他望遠鏡發(fā)現脈沖星總數的2倍多；多次捕捉到極罕見的快速射電暴爆發(fā)；參與揭示的一種快速射電暴起源機制入選《自然》十大科學發(fā)現……“中國創(chuàng)造”擦亮深邃“天眼”，探求著宇宙奧秘。

　　以創(chuàng)新思維開拓科研之基

　　工欲善其事，必先利其器?！爸袊煅邸钡慕ㄔ?，是飽含戰(zhàn)略眼光的超前部署。

　　20世紀90年代，當國際上還在為新一代大射電望遠鏡怎么建、在哪建爭論不休時，以南仁東為首的中國科技工作者提出一個極富挑戰(zhàn)、近乎天馬行空的設想，得到了國家支持。

　　“獨立自主建”“利用喀斯特地貌建”“技術不成熟就一邊研究一邊建”。南仁東等人明確了這三條后，連望遠鏡要落戶的喀斯特洼坑在哪都不知道，就開始干了。

　　帶著幾百幅衛(wèi)星遙感圖，幾個人踏上漫漫十年尋址路。要給望遠鏡找個最合適、節(jié)約成本的“家”，光看遙感圖不行，只能用雙腳“丈量”。經過反復篩選，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”。

　　過去同類射電望遠鏡的反射面是固定的，只能通過改變接收機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范圍，南仁東想出主動反射面的構想，并連夜畫在草稿本上。

　　當時，在一些人看來，那是一張工程科技很難支撐的“草圖”。南仁東一邊帶著團隊做實驗，一邊到各大院所、高?！罢斜I馬”。

　　2010年8月，工程開工前夕。“國內頂級的應用于斜拉橋上的鋼索，標準強度是200兆帕、抗200萬次彎曲，用在‘天眼’實驗上都斷了?！睍r任饋源支撐系統(tǒng)總工程師的孫才紅說。

　　當時負責索疲勞問題的是剛到國家天文臺工作的力學博士姜鵬。他立下“軍令狀”，與一家企業(yè)合作，進行了有史以來最系統(tǒng)、最大規(guī)模的索疲勞試驗，經歷近百次失敗，用了一年半時間終于找到突破口，研制出滿足要求的鋼索。

　　“天眼”團隊一天天壯大。光是為主動反射面這個創(chuàng)新思維，便有幾十個人貢獻自己所學，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，姜鵬已接過總工程師的擔子。調試和運維一點也不輕松，控制反射面索網的液壓促動器工作強度非常高，工程師每天都要巡檢，誰也不知道壞了幾個促動器會不會影響觀測效果，陷入疲于檢修的重復勞動中。

　　“姜鵬提出必須建一個反射面安全評估系統(tǒng)?！痹谕h鏡調試中負責結構的工程師李輝說，按照這個思路，團隊利用全過程仿真技術，把整個反射面用力學模型完全數字化，“哪個促動器壞了，哪個節(jié)點工作不正常，都能在總控室的安全評估系統(tǒng)中顯示”，并模擬出對觀測的影響，一旦超出安全范圍會自動報警。

　　2200多個促動器中，誤差或斷通訊數量超過40個，“天眼”就必須暫停觀測。有反射面安全評估系統(tǒng)作保障，這種情況從未發(fā)生過。

　　如果反射面板出問題怎么辦呢？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”。

　　這項創(chuàng)新技術叫“微重力蜘蛛人”，使用一個直徑7.6米的氦氣球將運維人員的體重減少到反射面板能承受的重量，使得人員能夠到達反射面任意地方執(zhí)行巡檢和維護作業(yè)。

　　科學家也沒有停止對“天眼”的技術更新。北京大學教授、中科院國家天文臺研究員李柯伽說，除了聚焦科學本身，跟“天眼”相關的天文儀器設備研制正在有序推進。

　　“天眼”觀測的是來自遙遠天體的微弱電磁信號，要求臺址電磁干擾水平極低，必須減少常規(guī)強干擾源，控制小功率干擾源，防止噪聲背景惡化，預防偶發(fā)干擾。

　　為了讓望遠鏡能“安靜”地仰望星空，方圓5公里核心區(qū)里數千名群眾搬離故土開啟新生活；平塘縣關閉了核心區(qū)內及其附近的所有通信基站；羅甸縣擱置了機場項目；黔南布依族苗族自治州境內劃出了方圓近30公里的電磁波寧靜區(qū)……系列舉措為“天眼”筑起一道道安全運行防護網。

　　以開放心態(tài)推動科學合作

　　天文學的每一項重大成就，都豐富了人類知識寶庫；天文學與其他學科交叉融合實現的每一次重大突破，都對基礎科學乃至人類文明進步帶來深刻影響。

　　自2020年初正式開放運行以來，中科院國家天文臺實現了“天眼”這座天文學利器的高水平管理和運行，但作為大科學計劃、大科學工程、大科學中心中的一員，它的科學征途才剛剛起航。在科學家眼中，它能刺穿“光年之外”，能洞悉宇宙“前世”，是個身在洼地、心系深空的“天空實驗室”。

　　“在某些觀測能力上有飛躍的設備，總會有意想不到的發(fā)現?！敝锌圃簢姨煳呐_研究員、“中國天眼”首席科學家李菂說，“中國天眼”的靈敏度超群，使它在很多領域具備超強“發(fā)現力”，以及突破的潛力。它可以驗證和探索很多宇宙奧秘，比如引力理論驗證、星系演化、恒星和行星起源，乃至物質和生命的起源等。

　　李菂說，天文學是個開放的學科，大部分“天眼”早期科學成果都有國際專家參與。2021年4月面向全球科學界開放后，交流合作會更多?！爸袊煅邸笨茖W委員會和時間分配委員會的成員是中國人，但相關評審是按照提交申請所屬的專業(yè)領域，交由國際頂尖專家評審，完全與研究前沿接軌。

　　由于“天眼”是中國獨資的大科學工程，有既定的科學任務和規(guī)劃，包括多科學目標漂移掃描巡天、中性氫星系巡天、銀河系偏振巡天、脈沖星測時、快速射電暴觀測等在內的先導項目，大多已由中國科學家領銜。

　　據李菂介紹，在時間分配上，外國科學家總計可以分享10%的望遠鏡時間，按照項目評審的打分情況，在這10%的時間內進行分配，預計競爭會比較激烈。

　　“不管項目是誰在牽頭，大家都是朝著同樣一個科學目標邁進。”李柯伽說，自己除了繼續(xù)關注快速射電暴觀測，還在利用“天眼”進行納赫茲引力波探測。相信“天眼”在超大質量或者極低質量脈沖星、黑洞脈沖星雙星等領域也有取得舉世矚目成就的機會。

　　人類只有一個天空，一個宇宙?；厮菰跤钪?，揭示更多宇宙奧秘，這是建造“天眼”的原動力，也是終極目標。因此，“天眼”需要聯(lián)合各國科學家，以開放的態(tài)度對全球開放。外國科學家可以獨立或者作為首席專家主導一些研究項目，有潛力的探索性項目也會得到支持。

　　為世界科學界提供中國智慧，為全球工程界提供中國技術，為人類外空命運共同體提供中國貢獻和中國發(fā)展經驗……在可預見的未來，“中國天眼”將為國際科學界持續(xù)探索宇宙、嘗試尋找未知事物帶來更多新視角，為引領人類突入認知新領域作出更大貢獻。

　　“天問一號”揭開深空探測新篇章

　　新春伊始，行進在探火征途上的“天問一號”接連傳來好消息：春節(jié)前夕，“天問一號”傳回首幅火星照片；臘月二十九，探測器成功實施火星捕獲，開啟環(huán)繞火星之旅；大年初一，火星捕獲過程影像公布，那是來自火星的新春祝福；大年初四，“天問一號”成功實施捕獲軌道遠火點平面機動，將軌道調整為經過火星兩極的環(huán)火軌道……

　　環(huán)火成功的背后，是一個個必須攻克的技術難題：火星捕獲時只有一次機會的一腳剎車如何踩準？上億公里外的火星探測器如何開展自主管理？

　　從地球到火星的轉移是漫長的旅行?；鸺l(fā)射是整個飛行過程的開始，在發(fā)射37分鐘后，探測器與火箭于距離地面670千米的太空中進行分離，探測器至此進入地火轉移軌道，在地火轉移軌道上經歷了200多天的飛行，在地面測控系統(tǒng)的支持下，經過4次中途修正和1次深空機動修正飛行路徑，環(huán)繞器逐漸飛近火星，進入火星捕獲段。

　　火星捕獲是火星探測任務中技術風險最高的環(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任務的成敗，這一點火制動過程通常被稱為“踩剎車”。剎車踩早了，探測器速度降得過低，探測器會墜入大氣層撞擊火星；剎車踩晚了，探測器就不能被火星引力捕獲，從而飛離火星。

　　來自中國航天科技集團八院的專家告訴記者，為了精確把控發(fā)動機的開關時機，環(huán)繞器在近火捕獲前需要由地面對其進行精確的無線電測定軌，再結合從環(huán)繞器上光學自主導航儀器中獲得的導航信息，得到環(huán)繞器和火星的精確位置。制動過程中，依靠可靠的捕獲策略，確保探測器處于“捕獲走廊”直至進入環(huán)火軌道。

　　此外，制動過程還需要火星環(huán)繞器具備自主應對器上突發(fā)故障能力，確?；鹦遣东@過程開展順利可靠。

　　捕獲段是火星探測器進入火星的引力范圍到最終被火星捕獲的階段，是火星探測任務中技術風險最高、最為重要的環(huán)節(jié)之一，關系任務的成敗。地外天體捕獲制動是實現月球、火星等深空天體探測任務的關鍵，而捕獲制動控制技術又是決定捕獲制動是否成功的關鍵。

　　專家介紹，當航天器進入目標天體影響球內，相對目標天體的軌道通常為雙曲線軌道，因此必須進行減速機動，否則將沿著雙曲線軌道飛離目標天體，這一減速機動過程稱為捕獲制動。

　　此次火星探測任務捕獲期間，探測器距離火星僅400千米，相對火星的速度卻高達每秒4千米至5千米。捕獲過程中，火星環(huán)繞器需準確進行點火制動，如果制動點火時間過長，探測器速度下降過多，探測器就會一頭撞上火星；如果制動點火時間過短，探測器速度過快，就會沿拋物線軌跡飛離火星。

　　“打個比方，地火轉移軌道就像是一條以太陽為中心的橢圓形閉環(huán)高速，火星只是這條高速上的一個出口，一旦探測器不能及時剎車從火星出口下高速，那就只能多繞一圈、花費數年到下次路過該出口了?！敝袊教炜萍技瘓F八院“天問一號”探測器副總指揮張玉花說。

　　由于火星探測器從地球飛向火星的過程中能夠被火星引力所捕獲的機會只有一次，且時間僅30分鐘左右，不能中斷；捕獲時探測器距離地球1.92億千米，無線電通信雙向延時達20多分鐘，地面無法對這一制動過程進行實時監(jiān)控，只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲策略。

　　“在太陽系里，八大行星以太陽為核心公轉，形成了八個環(huán)形軌道，其中地球位于‘三環(huán)’，火星則在‘四環(huán)’。”中國航天科技集團六院11所副總設計師蘭曉輝介紹：“3000牛軌控發(fā)動機承擔著三項任務，一是‘三環(huán)’轉移到‘四環(huán)’過程中的姿態(tài)修正，二是‘四環(huán)’上的‘剎車制動’，三是火星附近的軌道調整。就像一位盡職盡責的快遞小哥?！?/p>

　　近似于真空的太空環(huán)境暗流涌動，隱藏著多種看不見的干擾因素，如星球引力攝動、太陽風、空間輻射等。為了防止“天問一號”不打招呼地“跑偏”，設計人員綜合考慮了各種因素，進行了大量計算，設計出了一條精密的軌道，在發(fā)射前上傳至發(fā)動機，給了它一份“離線地圖”。

　　火星的質量只有地球的十分之一，引力遠小于地球，探測器在近火軌道必須及時“剎車”，否則會掠過火星，這就要考驗“快遞小哥”剎車是否踩得穩(wěn)、準、狠。在此次近火制動任務中，3000牛軌控發(fā)動機快速點火啟動，并在額定點長時間連續(xù)穩(wěn)定工作。

　　“從2010年立項到2016年定型，發(fā)動機經歷了多項考核，充分驗證了各項關鍵技術。對于3000牛發(fā)動機，我們充滿信心?！碧m曉輝說。

　　火星是太陽系中距離地球較近、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)開展深空探測的首選目標。作為中國首次火星探測任務，“天問一號”揭開了中國深空探測新篇章。國家航天局有關負責人表示，接下來“天問一號”將按計劃進行火星環(huán)繞、著陸和巡視，對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測，在火星表面開展區(qū)域巡視探測。

　　轉自：經濟參考報

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