500米口径球面射电望远镜工程

500米口径球面射电望远镜工程是“十一五”国家重大科技基础设施建设项目，建成后将是世界上最大的单口径射电望远镜。望远镜坐落于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村大窝凼洼地，利用天然喀斯特洼地作为望远镜台址以实现大天区面积、高精度的天文观测。

可见光和射电信号都是以光速传播的电磁波，区别只在波长。人类长期以来只能通过电磁波的可见光波段来观测宇宙，而实际天体的辐射覆盖了整个电磁波段。1933年，央斯基（Karl Jansky）意外发现了来自银河系中心的电磁辐射，由此开启了天文学的新篇章——射电天文学。这一新兴学科贡献了20世纪四大天文发现：类星体、脉冲星、星际分子和宇宙背景辐射，共产生了5项诺贝尔奖，成为天文学重大发现的摇篮。与通信用微波天线相似，射电望远镜通常由三个主要部分构成：汇聚电磁波的反射面、收集信号的接收机以及指向装置。天体辐射的射电波段电磁波极其微弱，70年来所有射电望远镜收集的能量，还翻不动一页书。阅读宇宙边缘的信息需要大口径望远镜，但由于自重和风载引起的形变，传统全可动望远镜（fully steerable radio telescope）的最大口径只能做到100米。

FAST工程概念的提出

1993年，于日本京都举行的国际无线电科学联盟（International Union of Radio Science，URSI）大会上，包括中国在内的10国射电天文学家联合发起了建设新一代射电“大望远镜”（Large Telescope，LT）的倡议，1999年易名为“平方公里阵列”（Square Kilometre Array，SKA），即接收面积为1平方公里的巨型射电望远镜。它的灵敏度将比目前世界上最大的望远镜高2个数量级，将由17个国家合作建设，总投资约10亿美元，计划建设10年，2020年左右建成后至少能运行50年，因此又被称为“21世纪的国际射电望远镜”。

1995年底，以北京天文台（中国科学院国家天文台前身）为主，联合国内20多家大学和研究所成立了LT中国推进委员会，提出了利用中国贵州喀斯特（karst）洼地，建造球反射面型即阿雷西沃（Arecibo）型天线阵的KARST工程概念。此天线阵由30多面口径约300米的球面天线组成，它将分布于方圆数百公里的范围内，具有1角分至100毫角秒的多级分辨率，将从本质上改善展源的射电天文成像能力。中国科学家为进一步推进KARST概念，提出独立研制一台新型的KARST单元——500米口径的主动球反射面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope），即FAST。FAST工程由此而来。中国科学院为该工程的建设主管部门，中国科学院国家天文台为建设法人单位，贵州省人民政府为共建部门。

FAST的创新与突破

对单天线射电望远镜来说，天线的直径越大，分辨率越高，更有利于暗弱天体的观测。FAST的技术设计方案集成了目前几乎所有可能的先进技术思想，提出了创新性的主动反射面及光机电一体化馈源支撑方案。

和同类大口径射电望远镜相比，FAST的独到之处在于：利用贵州省境内喀斯特地貌中的天然洼坑作为台址；洼坑内铺设数千块单元，构成500米球冠状主动反射面，球冠反射面在射电电源方向形成300米口径瞬时抛物面，使望远镜接收机处于焦点上；采用轻型索拖动机构和并联机器人，实现接收机的高精度定位。

全新的设计思路以及得天独厚的台址优势使FAST突破了传统射电望远镜的百米极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。它将拥有30个足球场大的接收面积，成为国际上最大的单口径望远镜。

科学目标与应用目标

作为一个多学科基础研究平台，FAST将为宇宙大尺度物理学、物质深层次结构和规律等众多基础研究领域提供发展和突破的机遇，也将在日地环境研究、国防建设和国家安全等方面发挥不可替代的作用。其项目建设本身，也将推动众多高科技领域的发展，促进西部经济发展和社会进步。

作为新一代世界最大的单天线射电望远镜，FAST可独立地、在可预见的五个方向实现科学与技术的重大突破。

巡视宇宙中的中性氢观测不同宇宙距离的中性氢谱线，将中性氢观测延伸至宇宙边缘，英国天文学家威尔金森说“宁宙的百科全书是用微弱的21厘米氢谱线写成的，要阅读它需要非常灵敏的望远镜”。通过中性氢谱线，有望在暗物质小尺度分布、宇宙大尺度结构与暗能量、星系形成与演化等方面取得进展。

观测脉冲星FAST用一年时间能发现数颗脉冲犀，为研究极端状态下的物质结构与物理规律提供机遇。通过精确测定脉冲星到达时间，还可以进行引力波检测。

获得天体超精细结构作为地面及空间甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）的一个巨大单元，FAST将开展对河外天体、恒星行星系统的测量和研究，将观测推进到新水平，获得天体超精细结构。

探测星际分子FAST设计工作带宽内包含羟基、甲醇等12种分子谱线。利用FAST的高灵敏度，可以搜寻银河系中的长链碳分子，也可对超强红外星系、高红移星系、活动星系和类星体进行羟基、甲醇分子超脉泽的广泛搜寻。

寻找地外文明搜寻、识别可能的星际信号，以前所未有的高效率开展对地外文明的搜索。

工程建设

FAST工程的建设内容，即在贵州喀斯特洼地内铺设口径为500米的球冠形主动反射面，通过主动控制在观测方向形成300米口径瞬时抛物面；采用光机电一体化的索支撑轻型馈源平台，加之馈源舱内的二次调整装置，在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下，实现高精度的指向跟踪；在馈源舱内配置覆盖频率70～3000兆赫的多波段、多波束馈源和接收机系统；针对FAST科学目标发展不同用途的终端设备；建造一流的天文观测站。

为实现这一建设目标，有六大工程系统需要建设：（1）台址勘察与开挖系统；（2）主动反射面系统；（3）馈源支撑系统；（4）测量与控制系统；（5）馈源与接收机系统；（6）观测基地。

2009年3月，FAST工程初步设计得到了中国科学院和贵州省人民政府的联合批复，FAST工程进入建设准备阶段。

FAST于2011年3月25日在大窝凼正式开工建设，各系统陆续进入实施阶段。

台址开挖工程

台址开挖工程的基本建设目标是为望远镜各系统的安装创造基本的现场条件，同时为望远镜建成后的运行维护提供安全、稳定的外在自然环境和基本设施条件。在参建各方的共同努力下，2012年12月，历时近两年的FAST台址开挖与边坡治理工程通过验收。

设备基础工程

设备基础工程包括反射面圈梁基础、反射面地锚基础、馈源塔基础以及索驱动基础等工程。其中，圈梁基础工程于2012年11月开始施工，2013年10月竣工，2013年11月30日通过验收。

反射面地锚工程于2012年11月开工，2014年5月完成全部工作，2014年7月23日通过验收。地锚是促动器的基础，也是望远镜反射面实现变位工作的基准。反射面地锚工程共包括锚墩2225个。

FAST馈源塔基础工程从2012年10月开始，2013年11月29日完成验收。馈源是望远镜用来接收宇宙外来信号的装置系统，FAST馈源支撑塔包含六基钢管塔，塔顶承载数十吨量级周期性缓慢变化的钢索拉力。6塔高度均超过100米，馈源支撑塔共有24个塔腿基础，分为嵌固式基础和桩基础两种，其中桩基础最大埋深为36米。

FAST索驱动基础工程主要内容包括：索驱动系统基础的维修卷扬机基础、底部导向滑轮基础/定滑轮基础、拖运轨道、机房驱动机构基础、排水及防雷设施等。索驱动基础工程于2013年8月1日开工建设，2014年8月6日顺利竣工。

圈梁钢结构安装工程

圈梁是FAST索网的支承结构，包括承台基础、格构柱及环梁。50根高度在6.419～50.419米的格构柱将内圈直径500.8米、高5.5米、宽11米的环梁支承在50个承台基础上，每个格构柱顶设2个抗震支座，不同温度下环梁的热胀冷缩可由滑移支座实现径向滑移。2014年9月11日，圈梁制造和安装工程完工并通过验收。

索网制造与安装工程

该项建设是FAST工程的主要技术难点之一。索网结构是FAST主动反射面的主要支撑结构，是反射面主动变位工作的关键点。FAST索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构，也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系。索网可采取主动变位的独特工作方式，根据观测天体的方位，利用促动器控制下拉索，在500米口径反射面的不同区域形成直径为300米的抛物面，以实现天体观测。索网工程于2014年7月17日正式开工，2015年2月4日顺利完成合拢。该工程的顺利完成是FAST总体工程的重要时间节点，为FAST后续工程顺利实施奠定了坚实的基础。

馈源塔制造与安装工程

六基馈源支撑塔是FAST馈源支撑系统的主体承载结构，是钢索承载和驱动的依托支架，并为塔顶导向滑轮提供足够刚性的支撑平台，保证驱动钢索能够牵引馈源舱在预定轨迹上运动。馈源塔制造与安装工程于2014年3月15日正式开始现场安装工作，11月15日完工，11月30日通过验收。

测量基墩

测量基墩是FAST工程测量与控制系统的主体建筑。通过在大窝凼洼地内建造24个伸出反射面的基墩，为高精度测量仪器提供稳定可靠的安装平台，完成对反射面节点位置和馈源舱位姿测量，为反射面和馈源支撑控制提供测量数据。该工程于2013年5月开工，2014年10月16日竣工并通过验收。

舱停靠平台工程

舱停靠平台位于主动反射面中心底部，是馈源舱安装、入港停靠、维护、检测平台，也是安装、更换索驱动缆索的平台。2014年5月1日，舱停靠平台工程正式开工，6月23日主体结构安装完工，2015年11月30日，舱停靠平台完成验收。

综合布线工程

该工程涉及观测楼、变电站、中继室、两千多台促动器、6个馈源支撑塔和25个测量基墩的构筑物修建、设备购置及动力和通讯线缆铺设等，同时还包括洼地内路灯、语音通信、安防和边坡支护等工作。综合布线工程是FAST的神经网络，是所有指令信号、数据传输、动力传输的通道，是FAST高效运行的保障。该工程于2014年4月21日正式开工，截至目前，综合布线工程已全部完成。

馈源索驱动制造和安装工程

作为世界上在建的最大绳牵引并联机构，索驱动是FAST工程的三大自主创新技术之一，由驱动机构、导向机构、缆索装置、控制系统、设备基础及其他附属设施组成。2014年10月，索驱动现场安装工作正式开始；2015年2月，第一根支撑索安装成功；2015年11月，完成六索驱动机构的安装工作，进入六索联调阶段。

主动反射面液压促动器工程

反射面液压促动器在上位控制系统的控制下，通过液压促动器活塞杆的伸缩来实现精确定位、协同运动，通过调整下拉索下端的位置，从而间接同步调整索网节点位置，实时实现满足拟合精度的300米口径瞬时抛物面，实现天文观测的跟踪、换源等要求。同时，液压促动器还可根据上位机查询指令，将自身各项状态信息上报给上位控制系统，并在必要时主动将自身故障报警信息上报给上位控制系统。2015年3月29日，完成首批100台液压促动器产品的制造、检测和出厂液压促动器的生产也随之步入正轨。2015年7月，完成了全部促动器的制造、现场安装和调试工作。

反射面面板制造与安装工程

FAST反射面单元主要由面板单元、背架、调整装置、连接机构等组成。反射面单元通过促动器和索网的主动控制在观测方向形成300米口径瞬时抛物面以'7厂聚电磁波，从而实现天文观测。专用吊装设备将在小窝凼内完成拼装与检测的4450块反射面单元吊运到索网指定位置，形成望远镜反射面；同时，将吊装设备改造成维护设备，留用于望远镜反射面的后续维护。2015年8月2日第一块拼装检测合格的反射面单元在FAST工程现场成功吊装，标志着FAST工程建设进入最后冲刺阶段。2016年7月3日，最后一块反射面单元完成吊装，FAST主体工程正式完工。

馈源舱制造与安装工程

馈源舱即安放馈源系统的舱体，主要包括星形框架、AB轴机构、多波束接收机转向装置、舱罩和其他附属设备设施等。2014年10月，馈源舱的代舱开始在大窝凼现场进行安装，随后配合索驱动的调试试验；2015年1月21日，代舱完成结构部分焊接和安装工作。代舱作为馈源舱的代替舱，主要用于FAST的前期调试和试验。2015年11月21日上午11时，FAST馈源支撑系统首次升舱成功，这标志着FAST工程馈源支撑系统正式进人六索带载联调阶段。

此外，FAST一些重大的系统控制工程正在建设之中，可望于2016年完成。这些控制系统包括：望远镜总控系统，馈源支撑整体控制系统和主动反射面控制系统。

望远镜总控系统用于协调和控制各子系统，监测各部件运行状态，排除故障，收集、记录运行数据，并提供统一时间标准，使望远镜能按计划进行天文观测。

作为FAST中枢，馈源支撑整体控制系统的主要功能有：馈源支撑测量数据处理，天文轨迹规划，馈源支撑整体控制和系统校时。

作为FAST重要创新之一，主动反射面控制系统的目标是，根据天文轨迹规划和测量数据，通过调整促动器的伸长量来控制反射面节点位置，形成位置和面型准确的抛物面。

工程建设的最后两大建设系统，一是FAST工程的接收机与终端，二是观测基地。接收机与终端包括7套接收机和终端（覆盖70～3000兆赫的频率范围），用以对数据进行接受、传输、处理、存储等。2016年6月，270～1620兆赫接收机已加工完成，运抵贵州。作为FAST建设、运行和维护的基础保障，观测基地已于2015年10月开工建设，预计于2016年7月31日完成主体建筑施工工程。

FAST工程预计于2016年9月竣工。具有中国独立自主知识产权的FAST建成后，其灵敏度、天区覆盖面和测量精度将远远超越世界上已建成的射电望远镜，届时将成为世界上口径最大、最具威力的单口径射电望远镜。FAST涵盖的天文学内容十分丰富，在宇宙初始混浊，星系演化，恒星乃至太阳、行星与邻近空间事件等的观测研究方面，都有非常强的竞争力，其中脉冲星探测、中性氢和奇异暗弱天体成像等课题蕴藏着巨大的机遇。作为一个多学科研究平台，它还将在日地环境研究、深空探测和国家安全等方面发挥重要作用，FAST工程建设也推动了中国众多高科技领域的发展。