3.馈源舱
馈源舱是射电望远镜用来接收宇宙信号的装置,是整个射电望远镜的核心。“中国天眼”的科学目标为:巡视宇宙中的中性氢,研究宇宙大尺度物理学;观测脉冲星,研究极端状态下的物质结构与物理规律;主导国际低频甚长基线干涉测量网,获得天体超精细结构;探测星际分子;搜索可能的星际通信信号。
为了实现这些任务,“中国天眼”采用了光电机一体化技术,馈源舱内配置有工作频率覆盖70兆赫至3吉赫的接收机、低噪声放大器、宽频带数字中频传输设备、高稳定度的时钟和高精度的频率标准设备等。与大多数传统射电望远镜的馈源舱支撑系统位置是固定的或仅可做微调不同,“中国天眼”的馈源舱可以追随主动变形反射面的变化自如改变位置和角度到相应的焦点位置,更加有效地收集、跟踪、监测天体电波。这是通过轻型支撑索拖动并联机器人系统来实现的,也是“中国天眼”三大自主创新技术之一。
馈源舱指向跟踪轻型支撑索以6根钢丝绳为主体,单根钢丝绳长度超过600米,直径46毫米,重达6吨。钢丝绳下方各悬挂一根直径26毫米的电缆,其中3根钢丝绳下方还各悬挂一根直径为12毫米的48芯光缆,为馈源舱提供信号传输和电力支持。这一索驱动系统为世界上最大的绳牵引并联机构。
相比原世界第一射电望远镜的馈源舱重1 000多吨,“中国天眼”馈源舱仅重约30吨。体积小带来多方面的优势,如可有效减少光路遮挡,减少干扰信号,使波束更加干净,更有利于天文观测等。


馈源舱
2016年9月25日,“中国天眼”落成启用后,进入调试期。巨型射电望远镜的调试涉及天文、测量、控制电子学、机械、结构等众多学科,是强交叉学科的应用性研究,国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于4年。“中国天眼”独具匠心的设计使得其调试工作更具挑战性。“中国天眼”的主动变形反射面需要2 250台促动器协同控制索网把所有促动器都连成一个整体,可以说是牵一发而动全身。在精度控制方面,为形成尽可能精准的抛物面,将电磁波高效汇聚到焦点位置,直径500米的“中国天眼”测量基准网的精度控制到了1毫米以内;为将接收机精准控制到抛物面的焦点位置,尽可能高效收集抛物面汇集电磁波的能量,由6根钢丝绳牵引的30吨重的馈源舱在140米的高空、206米的范围内的移动偏差不超过10毫米。正是如此严苛的精度调控使其灵敏度水平是世界第二大望远镜的2.5倍。
2020年1月11日,“中国天眼”通过国家验收,各项指标均达到或优于批复的验收指标,系统整体性能稳定可靠,并正式对国内天文学家开放。2021年3月“中国天眼”正式向全球开放共享,“中国天眼”也成为“世界天眼”。
“中国天眼”作为世界上最灵敏的射电望远镜,其科学潜力应景显现。截至2021年度,它已发现脉冲星超过500颗,在脉冲星发现、快速射电爆、星际介质及恒星形成等研究领域都取得了重要突破,4篇研究成果在《自然》杂志发表,快速射电爆相关研究成果入选《自然》2020年十大科学发现。
“中国天眼”作为多学科基础研究平台,基于超灵敏度的明显优势,已成为中低射频电天文领域的观天利器,未来将在快速射电爆的起源与物理机制、中性氢宇宙研究、脉冲星测时与低频引力波探测等世界科学前沿产出深化人类对宇宙认知的重要成果。
“中国天眼”突破性的创新设计和苛刻的技术要求对中国制造能力提出了巨大挑战。比如,要实现反射面可改变形状这个世界首创设计,要求构成索网的钢索像弹簧一样有一定伸缩性、疲劳强度是国际标准的2倍多,每根钢索的加工精度要达到1毫米,较传统标准提升了1个数量级。为达到这些要求,科学家们用2年多的时间,持续全方位地改进索体工艺,对钢索进行了200万次疲劳实验,在经历上百次的失败后,最终成功研制出适用于“中国天眼”的成品钢索。“中国天眼”的索网结构实现了超大跨度、超高精度、主动变位式3项世界创举。这一技术在后来的工程建设中也得以应用,例如,超高疲劳性能钢索结构被应用于大型体育场馆,高精度索结构生产体系被应用于港珠澳大桥等桥梁的斜拉索。
“中国天眼”是一个现代工程奇迹,它凝结了上万名科研人员的心血,汇聚了数千名一线工人的辛勤汗水。“中国天眼”的成功,体现了国家战略科技力量“心系国家事,胸怀科学梦”的科研导向、“集中力量办大事”的科研组织模式的优势,以及“拼搏奉献、创新报国”的奋斗精神,体现了以人民科学家、时代楷模南仁东先生为代表的优秀科技工作者的爱国情怀、科学精神、高尚情操和杰出品格等新时代科学家精神。