编者按

从“中国天眼”到“人造太阳”,从“天问”探火到北斗组网,从“嫦娥”奔月到万米深潜……中国创新的探索人类未来的尖端科技成果不断惊艳亮相。事实上,正是中国无数科技工作者多年来默默无闻、矢志不渝的探索,才有如此斐然的科技成就集中喷发,从而集聚成强大的国家战略科技力量。这些“中国创造”不仅为全人类探索和认识宇宙作出贡献,也向世界贡献了大科学工程的中国经验和创新实践。

“中国天眼”打造探索宇宙新视角

清晨,贵州平塘大窝凼。望远镜偌大的反射面从茫茫宇宙中抓取的射电信号数据,正源源不断传输到100多公里之外的贵阳天文大数据基地。

被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜,自2016年9月25日落成启用以来,已发现279颗脉冲星,是同期国际上其他望远镜发现脉冲星总数的2倍多;多次捕捉到极罕见的快速射电暴爆发;参与揭示的一种快速射电暴起源机制入选《自然》十大科学发现……“中国创造”擦亮深邃“天眼”,探求着宇宙奥秘。

以创新思维开拓科研之基

工欲善其事,必先利其器。“中国天眼”的建造,是饱含战略眼光的超前部署。

20世纪90年代,当国际上还在为新一代大射电望远镜怎么建、在哪建争论不休时,以南仁东为首的中国科技工作者提出一个极富挑战、近乎天马行空的设想,得到了国家支持。

“独立自主建”“利用喀斯特地貌建”“技术不成熟就一边研究一边建”。南仁东等人明确了这三条后,连望远镜要落户的喀斯特洼坑在哪都不知道,就开始干了。

带着几百幅卫星遥感图,几个人踏上漫漫十年寻址路。要给望远镜找个最合适、节约成本的“家”,光看遥感图不行,只能用双脚“丈量”。经过反复筛选,最终在贵州省平塘县找到了大窝凼——最适合“天眼”的深深“眼窝”。

过去同类射电望远镜的反射面是固定的,只能通过改变接收机的位置扫描天空中约20度的带状区域。为了在同等工程体量下获取更大观测范围,南仁东想出主动反射面的构想,并连夜画在草稿本上。

当时,在一些人看来,那是一张工程科技很难支撑的“草图”。南仁东一边带着团队做实验,一边到各大院所、高校“招兵买马”。

2010年8月,工程开工前夕。“国内顶级的应用于斜拉桥上的钢索,标准强度是200兆帕、抗200万次弯曲,用在‘天眼’实验上都断了。”时任馈源支撑系统总工程师的孙才红说。

当时负责索疲劳问题的是刚到国家天文台工作的力学博士姜鹏。他立下“军令状”,与一家企业合作,进行了有史以来最系统、最大规模的索疲劳试验,经历近百次失败,用了一年半时间终于找到突破口,研制出满足要求的钢索。

“天眼”团队一天天壮大。光是为主动反射面这个创新思维,便有几十个人贡献自己所学,联合院所、高校、企业等各方力量,完成了一连串创新。

以不懈努力保障科研环境

“天眼”落成启用时,姜鹏已接过总工程师的担子。调试和运维一点也不轻松,控制反射面索网的液压促动器工作强度非常高,工程师每天都要巡检,谁也不知道坏了几个促动器会不会影响观测效果,陷入疲于检修的重复劳动中。

“姜鹏提出必须建一个反射面安全评估系统。”在望远镜调试中负责结构的工程师李辉说,按照这个思路,团队利用全过程仿真技术,把整个反射面用力学模型完全数字化,“哪个促动器坏了,哪个节点工作不正常,都能在总控室的安全评估系统中显示”,并模拟出对观测的影响,一旦超出安全范围会自动报警。

2200多个促动器中,误差或断通讯数量超过40个,“天眼”就必须暂停观测。有反射面安全评估系统作保障,这种情况从未发生过。

如果反射面板出问题怎么办呢?厚度仅1毫米的面板,弧度大到50多度,直接站上去肯定不行。工程师想到了模仿“太空行走”。

这项创新技术叫“微重力蜘蛛人”,使用一个直径7.6米的氦气球将运维人员的体重减少到反射面板能承受的重量,使得人员能够到达反射面任意地方执行巡检和维护作业。

科学家也没有停止对“天眼”的技术更新。北京大学教授、中科院国家天文台研究员李柯伽说,除了聚焦科学本身,跟“天眼”相关的天文仪器设备研制正在有序推进。

“天眼”观测的是来自遥远天体的微弱电磁信号,要求台址电磁干扰水平极低,必须减少常规强干扰源,控制小功率干扰源,防止噪声背景恶化,预防偶发干扰。

为了让望远镜能“安静”地仰望星空,方圆5公里核心区里数千名群众搬离故土开启新生活;平塘县关闭了核心区内及其附近的所有通信基站;罗甸县搁置了机场项目;黔南布依族苗族自治州境内划出了方圆近30公里的电磁波宁静区……系列举措为“天眼”筑起一道道安全运行防护网。

以开放心态推动科学合作

天文学的每一项重大成就,都丰富了人类知识宝库;天文学与其他学科交叉融合实现的每一次重大突破,都对基础科学乃至人类文明进步带来深刻影响。

自2020年初正式开放运行以来,中科院国家天文台实现了“天眼”这座天文学利器的高水平管理和运行,但作为大科学计划、大科学工程、大科学中心中的一员,它的科学征途才刚刚起航。在科学家眼中,它能刺穿“光年之外”,能洞悉宇宙“前世”,是个身在洼地、心系深空的“天空实验室”。

“在某些观测能力上有飞跃的设备,总会有意想不到的发现。”中科院国家天文台研究员、“中国天眼”首席科学家李菂说,“中国天眼”的灵敏度超群,使它在很多领域具备超强“发现力”,以及突破的潜力。它可以验证和探索很多宇宙奥秘,比如引力理论验证、星系演化、恒星和行星起源,乃至物质和生命的起源等。

李菂说,天文学是个开放的学科,大部分“天眼”早期科学成果都有国际专家参与。2021年4月面向全球科学界开放后,交流合作会更多。“中国天眼”科学委员会和时间分配委员会的成员是中国人,但相关评审是按照提交申请所属的专业领域,交由国际顶尖专家评审,完全与研究前沿接轨。

由于“天眼”是中国独资的大科学工程,有既定的科学任务和规划,包括多科学目标漂移扫描巡天、中性氢星系巡天、银河系偏振巡天、脉冲星测时、快速射电暴观测等在内的先导项目,大多已由中国科学家领衔。

据李菂介绍,在时间分配上,外国科学家总计可以分享10%的望远镜时间,按照项目评审的打分情况,在这10%的时间内进行分配,预计竞争会比较激烈。

“不管项目是谁在牵头,大家都是朝着同样一个科学目标迈进。”李柯伽说,自己除了继续关注快速射电暴观测,还在利用“天眼”进行纳赫兹引力波探测。相信“天眼”在超大质量或者极低质量脉冲星、黑洞脉冲星双星等领域也有取得举世瞩目成就的机会。

人类只有一个天空,一个宇宙。回溯原初宇宙,揭示更多宇宙奥秘,这是建造“天眼”的原动力,也是终极目标。因此,“天眼”需要联合各国科学家,以开放的态度对全球开放。外国科学家可以独立或者作为首席专家主导一些研究项目,有潜力的探索性项目也会得到支持。

为世界科学界提供中国智慧,为全球工程界提供中国技术,为人类外空命运共同体提供中国贡献和中国发展经验……在可预见的未来,“中国天眼”将为国际科学界持续探索宇宙、尝试寻找未知事物带来更多新视角,为引领人类突入认知新领域作出更大贡献。(经济参考报 记者齐健

“天问一号”揭开深空探测新篇章

新春伊始,行进在探火征途上的“天问一号”接连传来好消息:春节前夕,“天问一号”传回首幅火星照片;腊月二十九,探测器成功实施火星捕获,开启环绕火星之旅;大年初一,火星捕获过程影像公布,那是来自火星的新春祝福;大年初四,“天问一号”成功实施捕获轨道远火点平面机动,将轨道调整为经过火星两极的环火轨道……

环火成功的背后,是一个个必须攻克的技术难题:火星捕获时只有一次机会的一脚刹车如何踩准?上亿公里外的火星探测器如何开展自主管理?

从地球到火星的转移是漫长的旅行。火箭发射是整个飞行过程的开始,在发射37分钟后,探测器与火箭于距离地面670千米的太空中进行分离,探测器至此进入地火转移轨道,在地火转移轨道上经历了200多天的飞行,在地面测控系统的支持下,经过4次中途修正和1次深空机动修正飞行路径,环绕器逐渐飞近火星,进入火星捕获段。

火星捕获是火星探测任务中技术风险最高的环节之一,由于火星捕获窗口的唯一性,捕获的成败决定了火星探测任务的成败,这一点火制动过程通常被称为“踩刹车”。刹车踩早了,探测器速度降得过低,探测器会坠入大气层撞击火星;刹车踩晚了,探测器就不能被火星引力捕获,从而飞离火星。

来自中国航天科技集团八院的专家告诉记者,为了精确把控发动机的开关时机,环绕器在近火捕获前需要由地面对其进行精确的无线电测定轨,再结合从环绕器上光学自主导航仪器中获得的导航信息,得到环绕器和火星的精确位置。制动过程中,依靠可靠的捕获策略,确保探测器处于“捕获走廊”直至进入环火轨道。

此外,制动过程还需要火星环绕器具备自主应对器上突发故障能力,确保火星捕获过程开展顺利可靠。

捕获段是火星探测器进入火星的引力范围到最终被火星捕获的阶段,是火星探测任务中技术风险最高、最为重要的环节之一,关系任务的成败。地外天体捕获制动是实现月球、火星等深空天体探测任务的关键,而捕获制动控制技术又是决定捕获制动是否成功的关键。

专家介绍,当航天器进入目标天体影响球内,相对目标天体的轨道通常为双曲线轨道,因此必须进行减速机动,否则将沿着双曲线轨道飞离目标天体,这一减速机动过程称为捕获制动。

此次火星探测任务捕获期间,探测器距离火星仅400千米,相对火星的速度却高达每秒4千米至5千米。捕获过程中,火星环绕器需准确进行点火制动,如果制动点火时间过长,探测器速度下降过多,探测器就会一头撞上火星;如果制动点火时间过短,探测器速度过快,就会沿抛物线轨迹飞离火星。

“打个比方,地火转移轨道就像是一条以太阳为中心的椭圆形闭环高速,火星只是这条高速上的一个出口,一旦探测器不能及时刹车从火星出口下高速,那就只能多绕一圈、花费数年到下次路过该出口了。”中国航天科技集团八院“天问一号”探测器副总指挥张玉花说。

由于火星探测器从地球飞向火星的过程中能够被火星引力所捕获的机会只有一次,且时间仅30分钟左右,不能中断;捕获时探测器距离地球1.92亿千米,无线电通信双向延时达20多分钟,地面无法对这一制动过程进行实时监控,只能依靠探测器自主执行捕获策略。

“在太阳系里,八大行星以太阳为核心公转,形成了八个环形轨道,其中地球位于‘三环’,火星则在‘四环’。”中国航天科技集团六院11所副总设计师兰晓辉介绍:“3000牛轨控发动机承担着三项任务,一是‘三环’转移到‘四环’过程中的姿态修正,二是‘四环’上的‘刹车制动’,三是火星附近的轨道调整。就像一位尽职尽责的快递小哥。”

近似于真空的太空环境暗流涌动,隐藏着多种看不见的干扰因素,如星球引力摄动、太阳风、空间辐射等。为了防止“天问一号”不打招呼地“跑偏”,设计人员综合考虑了各种因素,进行了大量计算,设计出了一条精密的轨道,在发射前上传至发动机,给了它一份“离线地图”。

火星的质量只有地球的十分之一,引力远小于地球,探测器在近火轨道必须及时“刹车”,否则会掠过火星,这就要考验“快递小哥”刹车是否踩得稳、准、狠。在此次近火制动任务中,3000牛轨控发动机快速点火启动,并在额定点长时间连续稳定工作。

“从2010年立项到2016年定型,发动机经历了多项考核,充分验证了各项关键技术。对于3000牛发动机,我们充满信心。”兰晓辉说。

火星是太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星,一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。作为中国首次火星探测任务,“天问一号”揭开了中国深空探测新篇章。国家航天局有关负责人表示,接下来“天问一号”将按计划进行火星环绕、着陆和巡视,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,在火星表面开展区域巡视探测。(经济参考报 记者胡喆