54所职工投身国家重大工程勇攀科技高峰——揭秘“世界第一天眼”上的“神创新”

 河北工人报8月5日第8版

■本报记者王立鹏
 

FAST反射面由4450个单元构成，每个单元由100块基础面板组成，总面积25万平方米，由中国电科第54所（以下简称“54所”）研制。此外，54所还承担了FAST工程另一重要系统“馈源舱”及舱停靠平台的研制任务。

记者连日来对54所的科研职工进行了深入采访，以期揭秘FAST工程上的神奇科技创新，展现科研职工们艰苦的攻关过程。

1 现场拼装：大工程有大气势

“太宏伟了，太震撼了！这里青山环绕，一个直径500米的圈梁横空出世，被50根6米到50米高低不等的钢柱支在半空，周长1.6公里。圈梁上已经安装了巨大的黑色索网，索绳有鸡蛋粗细，总重1300吨。从山上俯视，FAST就像一只美丽的‘巨眼’，镶嵌山底，仰望天外。”记者7月25日现场连线54所党委工作部的庄芳时，她惊叹着说。

据介绍，54所设计生产的反射面板将最终安装在这些索网上。

在此之前，首先要把面板拼装在网架上。拼装地点就在大窝凼旁边一个1万平方米的空地上，被称为小窝凼。

7月25日，第一块面板单元开始拼装。拼装面板的网架是一个边长11米、高1米的立体三角形。

据悉，本次运抵现场的1000块面板将拼装成10个单元，然后吊装到FAST索网上。

2 出奇制胜：非常手段化难题

“FAST工程反射面板，种类多、数量大、工期紧、任务重，按照常规思路去设计制造安装，绝对完不成任务，必须采取非常手段。”该项目副总设计师王大为告诉记者。

原来，反射面单元根据不同的位置和功用，共有431种基本类型，而每个单元的100块基础面板又分为7类。按照合同规定，每天生产20个单元，这就需要设计人员绘制2000张图纸。按照每人每天能绘制50张图纸计算，光绘图就需要40个人！这几乎是不可能完成的任务。

研发过程非常困难和紧张。在初期，研发团队集中办公，每天工作到晚上10点，没有周六、周日。项目总设计师郑元鹏有一段时间得了肺炎，上午在医院治疗，下午到单位指导科研工作。
设计人员进行了多方探究，最后开发出一套FAST反射面板参数化设计软件，用机器绘图。“在天线上使用参数化设计软件，我们是独一份。”王大为说。

“我们把431种面板的不同，归结到它的三边长不同，就是它们的节点坐标不一样。只要在软件输入它的节点坐标位置，就能生成面板所需要的三维模型和二维图纸。”王大为介绍说，采用这个软件，一天生产任务所需的图纸，只要15分钟就能搞定。

通过对软件的二次开发，还可以生成符合激光切割机所需要的数据文件，大大提高了生产效率。

另外一个难题就是安装精度的保证。“FAST工程反射面板是用平面去装配球面。安装的时候，在11米跨度上实现1.5毫米的精度要求，工作量巨大，也是非常难的。传统的测量法方是摄影测量，每个单元完成数据分析需要2个小时。按照进度每天安装20个单元，时间也没办法保证。”王大为说。

对此，他们又开发出自动化智能摄影测量系统。通过计算机程序控制测量和数据处理，解算出各个特征点的三维坐标及单元面形精度和调整点误差值，用以指导精度调整。通过这套系统，每个单元检测时间缩短到8分钟。

王大为说，在投标前，他们熬了几个通宵。“别家的标书都是几十页、最多上百页，我们的标书900页。在投标前夜，这7本标书每页都需要加盖单位公章，最后我们把所章给盖坏了！”

王大为介绍，FAST反射面板全部装好后，将是一个直径500米的半球面。工作的时候面板会变形成一个抛物面，来反射宇宙信号。这个抛物面是可以移动的，随观测天体位置的不同而改变。

3 反弹琵琶：另辟蹊径破死结

“54所与FAST工程馈源舱项目结缘，是一次偶然。”该项目总设计师李建军说。

2011年，李建军到国家天文台进行另外一个项目的方案评审。偶然得知了FAST工程馈源舱项目招标的信息。当时，国家天文台请54所也讲一讲，参与一下。“那时候有10家单位在竞争，这次是十进五。我们在别家陈述的间隙整理了一个材料。凭借我们在射电天文领域的技术积累以及对FAST馈源舱项目的独到见解，成功入围。”两个月后五进二、再三个月后终极PK，54所一路过关斩将，中标了这个项目。

李建军介绍，馈源舱是馈源接收机的安装平台，相当于FAST的“眼睛”，是一个集多种技术于一体的光机电一体化复杂综合系统。其最大直径13米、高7.6米、重30吨，由六根钢索悬吊于空中，在205米尺度的空间运动，靠钢索的牵引和舱内的二次调整装置，采用大范围、高精度、高采样率的测量与相应控制技术，实时定位于毫米级的瞬时焦点，实现对天体的高精度指向跟踪观测。

“FAST馈源舱要实现轻量化前提下柔性悬挂动态定位，这在世界上是一个技术难题。科学家提出了设想，54所将它变成了现实。当然在攻关的过程中，充满了不为人知的坎坷和痛苦经历。”李建军说。

“馈源舱研发的第一步是进行结构设计，一开始就进入了 ‘死循环’。”馈源舱结构分系统主任设计师贾彦辉告诉记者。

根据功能要求，馈源舱的总重量30吨是一个刚性指标，但是其刚度、强度、载荷、精度及屏蔽效能的指标要求与30吨的重量严重冲突，成为一个解不开的死结。

贾彦辉经过长时间冥思苦想，还是不得要领。在某个假期的一天，他到办公室加班，突然脑中灵光闪现：能否摒弃国外专家指定的馈源舱外形，另起炉灶，以减少自身重量？

说干就干，根据这一思路，在保证馈源舱连接尺寸的情况下，大胆设计新的结构形式，其外形由直径13米的圆，向内缩变成了一个直径10米的圆，这样大大减轻了重量，且完全能达到性能要求。

贾彦辉为了这项设计可谓废寝忘食，2013年结婚也只休息了五六天，就又投入紧张的科研。

在54所一个车间，记者看到了馈源舱的核心部件Stewart（六自由度并联机构）平台的1:5缩小模型。这是一个由六根等长可伸缩的钢腿连接的上下平台结构。

“为了能够让馈源舱瞬间定位到毫米精度，我们大胆采用了一项无人使用过的新技术。”馈源舱Stewart平台主任设计师段艳宾说。

4 针锋相对： 思维碰撞出创新

段艳宾介绍说，原先的设计方案中，有一个内部测量装置，通过一台照相机拍摄来定位。但是，经过试验，照相机会发射电磁波，对FAST接受宇宙信号有影响，采取屏蔽措施则会降低相机的感光，影响采样精度，又形成了一个“死结”。

为了破题，他们放弃了内部测量方式，转而采用了Stewart平台的运动学“正解”技术。“所谓正解技术，就是通过伸缩六个腿，用六个自由度调整来控制馈源舱的位姿，补偿钢索的抖动和风扰的影响，让馈源舱能够以所需的姿态静止在FAST反射面的焦点处。”段艳宾解释说。

这项技术此前还只停留在理论讨论上，从没有在工程实践中应用过，当时项目组心里也没底。

研发的过程复杂艰难。“这个场地冬天还好点，夏天蚊子非常多。今年到现在，我们已经用了六瓶花露水，不喷的话一会儿就被叮一身包。”段艳宾说。

更难受的是思维上的困局，有时候钻进去了，就是解不开，有种崩溃的感觉。有一次，平时不怎么喝酒的段艳宾喝得大醉，被同事送回家，还得向家人解释“这不是酗酒，是因为工作压力大所致”。

“我的师弟窦玉超博士和我一起研发Stewart平台，我们讨论问题经常说着说着就吵起来了，坚持各自的观点，争得面红耳赤。但都是为了工作，吵过以后会想想到底谁有道理，很多问题就是在争吵过程中解决的。”段艳宾说。

在馈源舱研制过程中，除上述两项创新外，还实现了高效能电磁屏蔽、机电一体化联合仿真、空间绕线、现场制造工艺等多项技术突破。

“FAST工程是国家的‘大科学工程’，既有工程的性质，又有科学的属性。”李建军说，所谓“科学性”，就是工程全过程需开展研究试验，由于国内外没有相应的技术积累，大量非标设备的研制存在着巨大的风险和不确定性，因此研制过程中难以避免地带来计划的调整甚至科学目标的调整。这就需要科研人员强力攻关，不断研发新技术。

FAST工程馈源舱项目副总设计师王宇哲说，研发过程中相关指标改变很多，有些分系统是多次反复更改。“比如多波束馈源，由于其外形尺寸不断更新，常常导致我们此前已经投入了相当大精力设计的方案和样机作废，重新再来。就此我与用户沟通不下几十次，有时候会争吵，吵得不可开交。但是，为了更好地完成国家大科学工程建设、保证技术先进，宁可自己多付出一些辛苦，也会承担社会责任。”

所以，争执的最后，总会握手言和，同心协力做好每一个细节。

5 承担责任：精益求精铸“重器”

去年4月底，王宇哲在上班途中被车撞了，导致脊椎骨折，住进了医院。一开始他打电话协调一些事情，后来有些同事带着问题到病房与他商量，半个月后他便开始在病床上办公。都说伤筋动骨一百天，但他住院连一个月都不到，就打着夹板回来上班了。

“其实，我们所很多人都是这种状态，为了工作加班加点都习以为常了。我唯一感到愧疚的是管孩子太少了。女儿今年11岁，上学我一次没接送过，家长会也只参加过一次。”王宇哲说。
馈源舱项目组还负责舱停靠平台的研发。舱停靠平台建在FAST中心点的地面上，是馈源舱休憩的港湾，类似宇宙飞船的着陆场。当馈源舱维护保养、更换器件时，需要从140米高的空中降落，此时，舱停靠平台展开双臂，启动其智能主控系统，对馈源舱进行速度及位置精度的跟踪、捕获、控制与校正，确保馈源舱稳定、准确地着陆。

去年4月，舱停靠平台开始在贵州现场安装调试。“运输的时候需要将整机拆成很小的零部件，因为那里路况非常差，大件根本拉不进去。”李建军回忆。

李建军说，现场的条件非常艰苦。从大窝凼上面的住处走到最底下3.5公里，每天要徒步走两个来回，14公里。吃的食品和水要从距离20多公里的一个镇买。当时没有电视也没有网络，要发个电子邮件，还得去别的单位门前蹭网。“最痛苦的是晚上睡觉。我们住的是板房，上下铺，房顶覆盖的是无纺布。每到晚上，成群的耗子在上面跑。有时候无纺布被咬开了口子，耗子就跑到上铺，和你大眼瞪小眼，你喊一嗓子，它不理，你站起来，它撒腿就跑。”

舱停靠平台在去年11月安装完毕，同时安装的还有一个与正式馈源舱相仿的代舱。“正式馈源舱正在紧张生产，今年10月份将进行现场安装。”李建军说。

据记者了解， FAST作为一个多学科基础研究平台，2016年建成后将捕获天外之声，探析宇宙奥秘。它有能力将中性氢观测延伸至百亿光年外的宇宙边缘，用以观测暗物质和暗能量，寻找第一代天体；有能力将深空测控由地球同步轨道延伸至太阳系外缘，将卫星数据接收能力提高100倍。它将在从宇宙起源到星际物质结构的探索、对暗弱脉冲星及其他暗弱射电源的搜索、对地外理性生命的搜索等6个方面实现科学和技术的重大突破。

FAST将是中国人创造的又一个奇迹，可谓国之“重器”。

54所职工素有“科技报国”的传统和情怀，一直与国家的科技进步同频共振。自建所以来，他们先后投身于核弹、导弹、卫星、载人航天、嫦娥探月等国家重大工程，为我国的科技进步作出多项重要贡献。本次参与FAST工程的研制，使得54所在超大型天线的设计与制造、高精度测量及控制等技术方面获得了创新性进步，进一步巩固了其在大型射电天文和深空探测天线专业领域的领先地位。