从“天眼”开始,大科学装置建设进入“大时代”

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2020年1月9日, 工作人员对FAST反射面板进行检修。

  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,更多的科學梦想将陆续实现。

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。
朱忠义在贵州黔南州平塘县大窝凼施工现场。

  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

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