中国参与SKA国际大科学工程取得历史性突破

科学网讯(记者 高长安 通讯员 庄芳)北京时间11月12日,在加拿大召开的SKA国际大科学工程(Square Kilometre Array,平方公里阵列射电望远镜,简称SKA)天线工作包联盟董事会会议上,中国电子科技集团公司第54研究所(以下简称54所)提交的SKA天线设计方案成功通过批准,顺利被选为后续唯一研发方案。标志着中国参与SKA国际大科学工程取得历史性突破,并将在SKA的核心设备研发中发挥引领作用。

据了解,平方公里阵SKA始于上世纪九十年代初,是多国合作的国际大科学工程计划,全球约有20个国家上百个科研机构的天文学家和工程师参与SKA研究。SKA拟由约3300面15米口径反射面天线、250个直径约60米的致密孔径阵列及250个直径180米的稀疏孔径阵列组成,分布在3000公里范围形成望远镜阵列。

SKA是一个规模宏大的科学工程,其使用的光纤可以绕地球两周,每天产生的数据量预计是全球互联网流量的10倍。它将成为世界上最大的综合孔径射电天文望远镜,比现有地面最大的射电望远镜阵列EVLA的灵敏度提高50倍,巡天速度提高10000倍,将为人类认知宇宙提供重大机遇。

SKA工程已选址在南非(以及非洲八国)和澳大利亚两国的荒野中建设,总部设在英国,并将在各大洲设科学分中心。为便于SKA的研发建设,由中,英,澳等七国发起成立了SKA组织(简称SKAO)。SKAO目前共有11个成员国。

2013年经国务院批复,由科技部牵头参加SKA的研发和建设。科技部牵头五个部委以及中科院、中国电科组成了SKA部际协调领导小组。

“建成后的SKA承担着重要的科学观测使命,它将致力于回答宇宙的一些基本问题,比如起源问题,它会致力于探讨宇宙学与星系演化,特别是星系形成、暗能量的基本性质,开展宇宙黑暗时期探测,寻找孕育生命的摇篮,探测外星生命;再比如,它会致力于探索宇宙间的基本力问题,检验爱因斯坦的相对论等理论是否正确,探索宇宙磁场的起源和演化。”54所首席专家、SKA天线项目总设计师杜彪介绍。

据了解,SKA的建设将分为两个阶段,SKA1阶段和SKA2阶段,仅SKA1建设阶段项目总投入就高达约6.5亿欧元。SKA项目包含基础建设等在内的11个工作包,中国电科、中科院、清华大学等单位参加了其中6个工作包的研发。SKA1阶段包含133个天线,这一阶段为试观测阶段,为SKA2阶段奠定工程技术、经费和科学观测基础;SKA2阶段将进入大批量生产阶段,大约包含2000-3000个天线。

“在SKA的11个工作包里,天线工作包是其中最主要、最核心的部分,在50MHz-20GHz的SKA观测频谱中,占据从350MHz-20GHz的观测频谱。15米口径反射面天线的单价在一百万欧元左右,其资金占项目总投入的20%以上。”杜彪说,“中国电科54所跟踪和参与SKA天线领域的国际合作已有8年时间。目前,南非的MeerKAT厘米波射电望远镜和澳大利亚的ASKAP平方公里阵列射电望远镜都已成为SKA的重要组成部分。在澳大利亚ASKAP的研发和建设中,54所积累了丰富的经验。”

据悉,天线设计方案通过以后,根据设计方案,54所计划到2017年研发并制造出一个15米口径的双偏置格利高利天线正样样机并经过测试验证,为进入SKA1阶段正式建造天线打好基础。

杜彪介绍,2014年,团队在短短8个月的时间里,设计、制造出了SKA天线的概念样机DVAC(SKA中国验证天线),得到了国际同行的一致好评。概念样机突破了天线性能精确分析、天线机电一体化设计研究、宽带馈源技术、大尺寸面板整体成型技术等关键技术。其中,面形精度小于1毫米的18m×15m碳纤维整体成型主反射面面板的成功研制,使我国成为国际上仅有的两个掌握这种创新技术的国家之一。据悉,另一个是被称为“加拿大设计”的加拿大国家研究委员会。

“由于 SKAO后来变更了需求,参与竞争的几个天线概念样机都不能完全符合新的需求。但是,概念样机的研发,让我们突破了很多关键技术,积累了丰富的经验。在概念样机的基础上,我们根据新需求,进行了刻苦攻关,拿出了全新的天线设计方案,并最终成为SKA后续研发的唯一设计方案。”杜彪说。



文章来自: 科学网
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