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天马望远镜获2018上海科技进步奖特等奖,行空测

文章作者:生命科学 上传时间:2019-09-04
星空路遥知“马”力
天马望远镜获2018上海科技进步奖特等奖

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■本报记者 何静

图说:天马望远镜 来源/上海天文台供图

天马望远镜

5月15日,2018年度上海市科学技术奖励大会在上海展览中心友谊会堂举行,大会共授奖300项。其中,“上海65米射电望远镜系统研制”项目(天马望远镜,以下简称“天马”),摘得2018年度科技进步奖特等奖。

如果说,“上海中心”代表了上海创新发展不断突破天际的新高度,那么坐落于松江的“天马”望远镜,就像不断开阔的“上海视野”,放眼未知,望向未来。今天上午召开的上海市科学技术奖励大会上,上海65米射电望远镜系列研制,荣获2018年上海市科技进步特等奖。

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走近“天马”

国之“重器”

科学团队集体照

在天马山脚下,矗立着一台65米口径、全方位可转动的射电望远镜,这就是“天马”,它以独特的方式,捕捉来自浩瀚宇宙的声响,为人类“天马行空、探索宇宙奥秘”贡献力量。

大型射电望远镜是深空探测器导航和天文学研究等领域的关键基础设施,代表了一个国家的综合创新能力。我国先后建设了口径为25米至50米等4面射电望远镜。2007年,它们和上海数据处理中心组成的甚长基线干涉测量网,作为探月工程VLBI测轨分系统,对探月工程国家重大专项的精密测定轨任务做出了重大贡献。但是,当探索太空的视野需要望向宇宙的更深处时,我国射电望远镜与国际先进水平的差距,大大制约了“中国视野”。

10月27日,中国科学院发展规划局会同前沿科学与教育局、重大科技任务局、科技促进发展局、条件保障与财务局、人事局,在上海组织完成“上海65米射电望远镜系统研制项目”总体验收。中国科学院副秘书长汪克强出席会议并讲话。由顾逸东院士任组长、段宝岩院士与魏子卿院士等12位领域专家与管理专家组成的总体验收专家组,实地考察了望远镜现场,听取了项目实施整体情况的报告以及分项验收意见,经质询讨论,一致同意项目通过总体验收。

现在,它已经7岁了,“诞生”时,它曾被誉为“亚洲第一射电望远镜”。

从2008年起,中科院、上海市和探月工程联合出资,由上海天文台负责开始研制一台具有多种科学用途的世界级大型射电望远镜系统即上海65米射电望远镜,建设地点在上海市松江佘山基地。十年后,当记者站在70米高、2700吨重的“天马”脚下,清晰地看到望远镜底部旋转的轨道和主反射面下的俯仰装置,才明白天马望远镜所获一切殊荣的意义。

总体验收专家组认为项目高质量地完成了各项研制任务,达到了立项目标;完成了嫦娥二号扩展任务、嫦娥三号任务以及探月三期再入返回飞行试验器的VLBI测定轨任务,在国家相关重大任务中发挥了关键作用;开展了单天线观测模式的脉冲星、分子谱线、连续谱等天文观测研究,作为国际VLBI网的重要观测站成功开展了国内外的VLBI联测,取得了重要的射电天文观测成果。更为关键的是,项目实施过程中锻造了一支具有射电天文研究、设备研制、天线运行管理能力的优秀队伍。项目研制完成和运行后,望远镜综合性能指标在同类型望远镜中位列世界前三名,大幅提升了我国射电天文观测能力和执行国家任务的能力。

项目第一完成人、中科院上海天文台台长沈志强介绍,“天马”体重2700吨,身高70米,占地面积相当于8个篮球场大小。走近“天马”,可以清晰地看到底部6组滚轮。“有了滚轮,‘天马’可以实现‘全方位可动’,但不是转360度,而是通过左右270度交叉转动实现的。”

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技术指标达到国际先进水平

虽然是望远镜,但射电望远镜并不能“看到”满天星斗和美丽星云。沈志强说:“射电天文学诞生于1933年,是用天线‘倾听’来自宇宙的声音,即接收特定波段的电磁信号,将原始信息提供给科学家进行数据处理,解决不同的天文学问题。”

图说:获奖团队主要成员

天马望远镜2008年立项,2012年10月落成。站在70米高、2700吨重的“天马”脚下,可以清晰地看到望远镜底部旋转的轨道和主反射面下的俯仰装置,这才理解了什么叫“全方位可动”。其工作波长从最长21厘米到最短7毫米共8个波段,是我国目前工作波长可覆盖全部厘米波段的高性能射电望远镜。

馈源舱就是“信号接收机”,像是“天马”的“耳朵”,它的工作波长从最长21厘米到最短7毫米共8个波段,也是我国目前工作波长可覆盖全部厘米波段的高性能射电望远镜。站在馈源舱,仿佛立在“一口锅”的中心,可以看到“锅面”——由1008块面板组成的直径为65米的白色主反射面,这里有我国自主研发的第一个大型天线主反射面主动调整系统。

建设大型射电望远镜,需要攻克高精度指向、高接收效率、低温宽频带接收、复杂灵活控制、综合性能测试和模型建立等一系列技术难题,是一个国家综合创新能力的集中体现。上海天文台联合中电54所、上海交大、中电16所等单位,攻克40多项关键技术和集成创新,建成了我国第一台性能先进功能齐全的全可动大型射电望远镜系统,实现了我国建设世界级大型射电望远镜的目标。该系统综合性能指标在同类型望远镜中位列世界前三,极大地提升了我国探月卫星和深空探测器测定轨能力、国际VLBI和射电天文观测能力。

记者来到了位于第5层的距地面高约30多米的馈源舱,8个波段的信号接收机就在这里。沿着陡立窄小的楼梯爬三层,就到了馈源舱顶部。俯视之下,正对着1008块面板组成的直径为65米的白色主反射面,像一口圆圆的“锅”。这里有我国自主研发的第一个大型天线主反射面主动调整系统,通过连接着面板的1104台促动器的快速控制调整以实现望远镜的高效率跟踪观测。仰视望去,是“天马”最高处的副反射面装置。所有来自宇宙的信号,就是经由主反射面到副反射面,再聚焦到馈源舱被收集起来。

而“锅底”有连接着面板的1104台促动器。上海交通大学副研究员叶骞介绍,“促动器”的作用是通过控制调整面板,以实现望远镜的高效率跟踪观测。

自主创新

经测试,作为中科院和上海市联合立项的重大合作项目,天马望远镜系统所有技术指标均满足或优于任务书中技术指标的要求。

“前世今生”话“天马”

作为一台全方位可转动的望远镜,天马望远镜的硬件和软件系统实现了多项自主创新。其工作波长从最长21厘米到最短7毫米共8个波段,是我国目前工作波长可覆盖全部厘米波段的高性能射电望远镜。据天马望远镜首席科学家、上海天文台台长沈志强介绍,设计之初经过国际专家的评审和论证,“天马”采用了我国自主研制的第一个大型天线主反射面主动调整系统。

为月球车的成功着陆保驾护航

“空间观测进入新阶段,天文观测技术必须革新。”上世纪70年代,为了改变中国天文学观测设备和研究技术落后的现状,中科院院士、上海天文台原台长叶叔华高瞻远瞩地提出发展甚长基线干涉测量技术和建造射电望远镜的设想。

登上“天马望”望远镜,距地面高约30多米的五层楼处是馈源舱,8个波段的信号接收机就在这里。沿着陡峭的镂空楼梯再爬三层,向下俯视,正好面对着1008块面板组成的巨大“大锅盖”——直径为65米的白色主反射面。我国自主研发的第一个大型天线主反射面主动调整系统就在这里。通过连接着面板的1104台促动器,将每块面板的定位精度控制在15微米,补偿天线在不同俯仰角度上的重力形变,使天线保持标准的抛物面形状。保证望远镜实现不同的“视角”和转速,完成高效率跟踪观测。

上海天文台台长洪晓瑜告诉《中国科学报》记者,天马望远镜落成后即参与对嫦娥二号卫星飞越小行星探测过程中的VLBI精确定轨。这也是当时我国执行的距地球最遥远的航天任务。2013年12月,我国发射嫦娥三号,并释放“玉兔”号月球车。“天马”全程参加了嫦娥三号VLBI实时观测任务,使中国VLBI测量网的灵敏度大幅提升1.6倍以上,时延测量误差由嫦娥二号时的1.77纳秒降至0.67纳秒,以1米的精度实现了月球车相对位置的测量。“嫦娥三号落月探测的定轨精度大幅提高,为月球车的成功着陆保驾护航。”

她多方奔走,带领上海天文台在1979年、1987年先后建成6米和25米射电望远镜。这两个望远镜可以说是“天马”的“哥哥和姐姐”,让中国的天文事业赶上了世界新老技术的转换时机,很快融入了世界天文科学的发展。

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天马望远镜总工程师刘庆会介绍说,通过数据处理,嫦娥三号在月球上转弯时会“画”出一个圆弧,移动时会“拖”出一根斜线,“往往是我们先监测到了,指挥中心再宣布刚才月球车转弯或移动了,算是先睹为快吧。”

随着时代的发展,与国际先进水平相比,已有的射电望远镜天线口径小、观测频率低,严重制约着未来执行国家深空探测重大任务和开展射电天文观测研究的能力。在叶叔华的推动下,以服务国家探月、深空探测任务和开展射电天文观测研究为目标,从2008年起,上海天文台肩负起研制具有多种科学用途的世界级大型射电望远镜系统的重任。

图说:天马望远镜

今后,上海天马望远镜将作为主力测站继续参加嫦娥五号采样返回、嫦娥四号月球背面软着陆、火星探测绕飞和着陆巡视的VLBI测定轨等国家重大工程测轨定位工作任务。

在“天马”的测控中心内,墙上的一张张照片记录了“天马”诞生前的一个个重要过程:2009年6月地质钻探、2011年滚轮吊装到位、2012年副反射面吊装到位……

同时,天马望远镜在国内首次采用了无缝轨道焊接技术。焊接后轨道整体平面度达到0.46毫米,好于设计要求,不仅提高了轨道精度和承载力,而且延长了轨道、滚轮以及地基的使用寿命。天马望远镜首席科学家、上海天文台台长沈志强告诉记者,天马望远镜每年的运行时间长达7000小时,已有10多家单位的数十名科学家利用天马望远镜进行过观测,在相关领域的观测水准,达到国际先进水平。

在国际合作研究中凸显中国地位

“这个过程培养和锻炼了一支具有射电天文研究、设备研制能力的优秀队伍。我们的团队夜以继日、精诚合作,运用分别制造最后拼装的方式,原定的6年建设周期被缩短到3年。”上海天文台研究员刘庆会自豪地说。

“天马”行空

“天马”综合性能位于世界前列,加上地处几个国际上主要VLBI网的交汇处,能有效提高国际VLBI网的探测灵敏度,成为中国VLBI网乃至东亚VLBI网的核心。

“天马”行空武功高强

天马望远镜作为主力测站先后参加并成功完成了2012年的嫦娥二号奔小行星探测、2013年的嫦娥三号月球软着陆、2014年的嫦娥五号飞行试验器、2018年嫦娥四号中继星和嫦娥四号探测器的VLBI测定轨任务,使我国VLBI观测网的灵敏度提高至2.6倍以上,时延测量误差由嫦娥二号时的1.77纳秒降至0.67纳秒,大幅提高了VLBI系统的测量能力,为探月系列卫星的VLBI测定轨做出了卓越贡献。

据上海天文台VLBI国际联测联系人夏博工程师介绍,天马建成后,就成为欧洲VLBI网正式成员,参加每年三次、每次一个月的常规观测。2016年2月18日,欧洲VLBI网联测中,原本被选为参考天线的国外射电望远镜临时出了故障,天马望远镜“临危受命”首次被选为数据相关处理的参考天线,对参与观测的14个台站的数据进行检测,分别得到了各条基线的条纹,标志着天马望远镜的综合性能已得到国际认可,并发挥主力作用。

专家认为,“天马”是我国第一台性能先进、功能齐全的全可动大型射电望远镜系统,实现了我国建设世界级大型射电望远镜的目标。

随着我国对以火星为代表的更加遥远的深空科学探测活动日益增多,综合性能位于世界前列的天马望远镜不仅可以为深空探测器的测轨和数据接收服务,而且地处几个国际上主要VLBI网的交汇处,能有效提高国际VLBI网的探测灵敏度。与此同时,天马射电望远镜在脉冲星和谱线射电天文研究中取得一系列原创性观测成果,实现了对外开放,赢得了国际同行的瞩目。

东亚VLBI网是由中、日、韩三国的射电望远镜组成,正处于综合测试和试观测阶段。天马望远镜是目前我国唯一具备毫米波VLBI观测能力的射电望远镜,它的加入不仅改善了整个观测网的UV覆盖,更重要的是借助它的高灵敏度,将东亚VLBI网的探测能力提升了1倍以上。

“‘天马’研制过程中攻克的关键技术对今后大型射电望远镜研发也有重要应用价值。”沈志强表示,“天马”凝聚了上海天文台联合中电54所、上海交大、中电16所等单位完成的40多项关键技术和集成创新成果。例如,实现了3角秒的高精度指向,并达到了在1.2~50GHz8个波段任意仰角好于50%的高效率。

接下来,天马望远镜将继续服务嫦娥五号、火星探测器、探月四期(我国的月球极区探测计划)、小行星探测等的测定轨任务。天马望远镜也将继续脉冲星、大质量恒星形成和演化、活动星系核、X射电双星等的观测研究。“天马望远镜将力争建成为以开展天文科学研究和承担国家重大任务为主,为我国培养一批射电天文学研究人才,获得一批世界一流原创成果。”沈志强台长说。

同时,天马望远镜成功开展了分子谱线和脉冲星等射电天文观测,探测到了包括长碳链分子HC7N在内的许多重要分子的发射和一些新的羟基脉泽源,还探测到包括北天周期最短毫秒脉冲星在内的一批脉冲星,发现了目前研究热点“银心磁星”具有周期跃变现象等,取得了重大的射电天文观测成果。

皇家赌场号hj85,目前“天马”综合性能指标在同类型望远镜中位列世界前三,建成以来,已经成为我国深空探测器测轨定位的国之重器,极大地提升了我国探月卫星和深空探测器测定轨能力、国际VLBI和射电天文观测能力。

新民晚报记者 马亚宁

年轻科技人员成长迅速

值得一提的是,2018年“天马”为嫦娥四号保驾护航立下了“汗马功劳”,在VLBI测定轨及中继星天线在轨标定任务中作出了关键贡献。

在天马望远镜建设和调试过程中,年轻的技术人员发挥了重要作用。例如,李斌研发的K波段、仲伟业研发的Q波段制冷接收机,频率接收范围宽,噪声低,性能指标达到国际先进水平。王锦清建立了高精度的指向模型,最高指向精度达到4角秒。董健建立了国内首套主反射面重力变形改正模型,使得最高观测频率在任意仰角的接收效率都达到50%以上。赵融冰开发的软件控制系统,软件达到数十万行,能自动控制各种观测设备,满足各种观测需求。付丽积极参加了天线系统建设和各种测试,作出了重要贡献。王玲玲研发的时间频率系统,很好地满足了各种观测需求。

未来,“天马”将继续服务嫦娥五号、火星探测器、探月四期、小行星探测等的测定轨任务;也将继续对脉冲星、大质量恒星、活动星系核、X射电双星等的观测研究。据悉,以“天马”为基础,上海天文台正积极参与建设世界上最大的综合孔径射电望远镜——“平方公里阵列射电望远镜”,努力推动世界天文事业的不断发展。

39岁的女科学家李娟副研究员作为天马望远镜研究团组成员,对巨蛇座分子云复合体中的一个云核进行了观测,在其中探测到了丰富的长碳链分子,这是上世纪70年代以来在星际空间探测到的第三个富含长碳链分子的云核。这一工作对于长碳链分子化学的研究以及新的长碳链分子的搜寻都具有重要意义。“得益于天马望远镜的高灵敏度和高速度分辨率,其中有9条跃迁线是第一次被探测到,有2条精细结构线则是首次被分解开。”李娟说,探测到长碳链分子信号那天,她激动得一夜没睡着,“我特别感激天马望远镜给了我们年轻人机会。”

《中国科学报》 (2019-05-17 第3版 综合)

近期,该科研团组利用天马望远镜对人马座B2中两个重要的复杂有机分子乙醇醛和乙二醇分子进行了观测。

上海天文台副台长、天马望远镜首席科学家沈志强解释说,“复杂有机分子与地球上的生命起源息息相关,对这些分子的性质和形成机制进行研究是天体生物学研究的重要一环。观测发现,银河系中心巨分子云人马座B2中的复杂有机分子非常丰富,尺度达100光年。这一观测不仅为银心存在延展的复杂有机分子提供了直接证据,也为复杂有机分子的化学模型提供了很强的限制。”

“我国科技发展已进入历史新阶段,我们将以时不我待、只争朝夕的精神,迎接挑战,坚持创新。”洪晓瑜表示,天马望远镜将力争建成为以开展天文科学研究和承担国家重大任务为主,兼具科普教育和公益服务功能的大型公共服务平台,做到开放范围更大,开放更加规范,逐步达到国际标准,为我国培养一批射电天文学研究人才,获得一批世界一流原创成果。

(原载于《中国科学报》2017-10-30第5版创新周刊)

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