李唐

(1 中國科學院國家天文臺 北京 100101)

(2 中國科學院大學 北京 100049)

1 引言

“十一五”國家重大科技基礎設施500 m口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)是我國自主設計、建造的大型射電望遠鏡,也是世界最大的單天線望遠鏡.它位于貴州省平塘縣的喀斯特(Karst)洼地之中,采用饋源索支撐系統(tǒng)和可變形的主動反射面[1].巨型反射面由鋪在索網(wǎng)結構上的4450個小單元拼接而成,依靠2225個促動器拉伸索網(wǎng)實現(xiàn)主動變形; 6根長約600 m的懸索將饋源艙吊于反射面上方,形成光機電一體化的饋源指向與跟蹤系統(tǒng).從20世紀90年代產(chǎn)生構想到2016年建成,FAST的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個階段: 概念形成、預研究和工程建造.其中,概念形成階段集中于FAST基本設計構想的討論; 1999年首批大筆經(jīng)費250萬元[2]424到位后開始的預研究階段,則主要通過實物模型建造和仿真模擬,對各項關鍵技術進行試驗.在FAST概念形成之時,科學活動已進入規(guī)模更大、合作更廣泛[3]、與社會聯(lián)系更為緊密的“大科學(big science)時代”,科技決策也更加復雜.根據(jù)FAST工程檔案以及對有關親歷者的訪談,本文梳理了FAST概念形成的過程,關注研究團隊在其中的關鍵決策,可為未來在相關基礎薄弱的領域建設大科學工程提供參考.

2 大科學時代的大科學工程

進入20世紀特別是第二次世界大戰(zhàn)以后,科學研究活動日趨規(guī)模化和有組織化,資金投入、專業(yè)教育、從業(yè)人員、知識產(chǎn)出的規(guī)模呈指數(shù)型增長[4],以分散的個體性研究為主的小科學時代逐漸向大科學時代過渡.“大科學(big science)”的概念源于時任美國總統(tǒng)科學顧問委員會成員、橡樹嶺國家實驗室主任Weinberg[5]和物理學家Price[6],其特征不僅在于規(guī)模巨大,如跨學科甚至跨國的大型科研團隊、昂貴的巨型裝置以及巨額研究經(jīng)費,也在于組織形式的社會化.在大科學時代,科學被看作推動國家發(fā)展的強大力量.政府有計劃地設立科研機構和科學委員會,并投入資金支持研究活動.隨著公共財政對科研投入的加大,科學與社會的關系日益密切.對具體科學項目的支持力度會受到政治、社會因素的影響.作為大科學時代的產(chǎn)物,大科學工程的建設已變得非常社會化,與經(jīng)濟、工業(yè)、公眾、政府等交織在一起.

大科學工程本質上是一種技術人工物.根據(jù)西蒙(A.Simon)的人工物理論,工程設計者要“考慮人工物應是怎樣的,也就是什么樣的人工物才能實現(xiàn)目的,發(fā)揮其作用”[7]585-586.在對人工物功能和用途的分析中,他強調3個互相關聯(lián)的要素: 目標/目的、人工物的特性、人工物發(fā)揮作用的環(huán)境.人工物自身的物質結構與其周圍環(huán)境之間存在張力,這同時會影響人們所期望的用途.事實上,工程設計就是詳盡提供人工物內部的“物質和結構”,從而滿足來自外部世界的要求或限制.工程設計中的決策性質(decisional nature)和所受的各種限制,是其區(qū)別于科學研究的兩個特征,后者也是前者的原因之一.工程設計就是一個不斷做出決策的過程[7]578-606.

大科學工程以有效的科學探索為目標,即可被用于全新的科學研究.一種常見的發(fā)展策略是建造在某些性能指標上超越現(xiàn)有設備的科學裝置,比如能產(chǎn)生更高能量粒子的加速器、可觀測更暗弱天體的望遠鏡.與封閉在實驗室內的科學設備不同,許多大科學工程暴露在自然和社會環(huán)境之中,其與環(huán)境的聯(lián)系十分復雜.由于外界施加的諸多限制條件,大科學工程的規(guī)劃者會面臨一系列的決策,如科學目標的選取、側重哪些性能、采用什么技術方案等.在造價、運行環(huán)境等因素的限制下,提升性能需采用新的設計方法或技術.這意味著大科學工程的建設更多是一個發(fā)明的過程,即創(chuàng)造出新的技術人工物.創(chuàng)新意味著風險,失敗的可能性總是存在.決策者需綜合考慮經(jīng)費、人才、技術儲備、風險、自然和人文環(huán)境、相關學科的現(xiàn)狀與未來發(fā)展等因素,權衡各種技術路線的利弊,在一些要素之間折中,從而制定出現(xiàn)實可行的方案.作為典型的大科學工程,FAST的建設也是一個不斷決策的過程,這在概念形成階段中尤為明顯.

3 FAST概念形成的背景

3.1 20世紀的射電天文學與下一代望遠鏡的設想

1932年,美國工程師央斯基(Karl Jansky)接收到源自銀河系中心的射電信號,這標志著射電天文學的發(fā)端.隨著大科學時代的到來,射電天文學家和工程師在政府的支持下,陸續(xù)建造了一批大型射電望遠鏡.英國于1957年建成76 m口徑洛弗爾(Lovell)望遠鏡,美國于1962年完成了位于綠岸(Green Bank)的91.5 m望遠鏡1該望遠鏡于1988年倒塌,后又建造了100 m口徑綠岸望遠鏡(Green Bank Telescope,GBT),2000年落成啟用.,德國的100 m埃費爾斯伯格(Effelsberg)射電望遠鏡在1972年竣工.1961年,澳大利亞建造的64 m帕克斯(Parkes)望遠鏡投入觀測; 它是南天區(qū)非常重要的射電望遠鏡,也是搜尋脈沖星的高效設備.在冷戰(zhàn)背景下,美國工程師提出建造一種主要用于研究大氣電離層的雷達.為了接收微弱的反射信號,雷達必須擁有巨大的反射面,這使它同時成為一面極為靈敏的射電望遠鏡.這樣的巨型天線難以采用全可動設計.建造地點最終定為波多黎各(Puerto Rico)的阿雷西博(Arecibo)市,那里天然的喀斯特洼地能降低工程建造成本.建成后的阿雷西博望遠鏡(Arecibo Telescope,AT)采用口徑305 m球反射面,觀測時使用部分反射面,口徑約200 m.外圍3座高塔用懸索固定重達550 t的平臺[8],為克服球差而設計的線饋源可在平臺上移動至所使用反射面部分的對應位置.1963年,頻率430 MHz的線饋源安裝完成.為提高工作頻率以拓展研究范圍,AT在1972年至1974年進行了第一次升級改造,原來的金屬網(wǎng)天線改為金屬面板.1997年在平臺上加裝了由兩面改正鏡組成的系統(tǒng),從而實現(xiàn)了寬帶和全偏振.AT的工作頻段擴展為300 MHz-10 GHz,線饋源也被傳統(tǒng)饋源取代.計算機技術的進步使綜合孔徑技術在60年代得以發(fā)展.英國于1971年建成了基線長為5 km的綜合孔徑望遠鏡.1980年,美國國立射電天文臺(National Radio Astronomy Observatory,NRAO)建造了當時世界上最先進的綜合孔徑望遠鏡-甚大陣(Very Large Array,VLA); 它由27面25 m口徑天線組成,最長基線36 km.

在20世紀最后十幾年中,天文學家已在構想下一代射電望遠鏡.一個發(fā)展方向是用來探測中性氫分布、脈沖星和其他暗弱天體的米波-厘米波望遠鏡,可進行暗物質、暗能量、引力波探測等研究.1985年英國天文學家威爾金森(P.N.Wilkinson)提出,在中性氫探測方面,新一代射電望遠鏡的分辨率應超出VLA一個量級,并擁有100倍于它的接收面積[9].印度天體物理學家斯瓦魯普(G.Swarup)所領導的團隊努力推進巨型米波射電望遠鏡(Giant Metrewave Radio Telescope,GMRT)的建設[10],這一望遠鏡凸顯大接收面積的優(yōu)越性.在1991年召開的國際天文學聯(lián)合會(International Astronomical Union)大會上,威爾金森、斯瓦魯普、蘇聯(lián)天體物理學家帕里斯基(Yuri Parijskij)等人討論了相關設想[9].帕里斯基提出: 根據(jù)接收面積隨時間的變化趨勢,為接續(xù)前輩們開創(chuàng)的進步,需要發(fā)展106m2級的設備.威爾金森初步考慮建造一種接收面積為1 km2、主要用于探測HI和脈沖星的射電望遠鏡; “規(guī)劃一型接收面積達1 km2的陣列,時機已經(jīng)成熟”[9].

3.2 中國參與發(fā)起“大望遠鏡計劃”

由于諸多歷史原因,中國的射電天文學起步曲折,其發(fā)展被“大躍進”、“文革”等事件多次打斷[11].雖然經(jīng)過后續(xù)努力,建成了由28面9 m口徑天線組成的密云綜合孔徑射電望遠鏡(1984年)2密云望遠鏡的建設曾得到訪華的悉尼大學教授W.N.Christiansen的大力協(xié)助,包括提供新元件和建議、推薦中國工程師去悉尼學習等,詳見文獻[11-12].、青海德令哈13.7 m毫米波望遠鏡(1990年)以及上海(1987年)、烏魯木齊(1994年)兩個25 m天線甚長基線干涉(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)觀測站,并取得了一些研究成果,但中小型設備與國際先進大望遠鏡的差距極大阻礙了研究水平的進步.對國內科學家來說,國外儀器的申請使用具有學術競爭等敏感點,自主性和時效性較低.中國的射電天文學家迫切需要先進的大型望遠鏡.

1993年5-6月,荷蘭天文學家斯特羅姆(Richard Strom)來中國進行學術訪問.通過交流,王綬琯、南仁東、彭勃等人得知,國外一些團隊正在考慮建造下一代大型射電望遠鏡的計劃,并將在1993年9月的京都大會上討論相關事項.中國團隊決定參與這一國際合作計劃,以期帶動國內射電天文學的發(fā)展.國際無線電科聯(lián)(International Union of Radio Science,URSI)在9月如期召開第24屆大會,射電天文專門委員會組織了“第三個千年的射電望遠鏡”學術會議,描繪21世紀射電望遠鏡的藍圖.北京天文臺的吳盛殷作為中國代表參會,參加URSI大會的還有南仁東和上海天文臺的葉叔華.各國天文學家對未來的構想基本一致,科學界的共識是必須在我們的電波環(huán)境被徹底毀壞之前,用強大的望遠鏡回溯宇宙原初3南仁東等.國家重大科學工程項目建議: 500米口徑球面射電望遠鏡-FAST.北京: 中國科學院北京天文臺,2000: 13.英國、荷蘭、中國等十國射電天文學家聯(lián)合提出“大望遠鏡(Large Telescope,LT)計劃” (LT后發(fā)展為現(xiàn)在的平方公里陣列(Square Kilometer Array,SKA)),籌劃建造接收面積達1 km2的巨型射電望遠鏡.預期的科學目標雄心勃勃,LT技術復雜、風險高,需要巨額投資,國際合作因而是必要的.會上決定組建LT工作組(LT Work Group,LTWG),協(xié)調設計、選址、工程預研究以及經(jīng)費籌集等,每年將舉行學術研討會.這標志著中國射電天文學家共同發(fā)起、參與國際合作的大科學工程.LT計劃的發(fā)端以廣泛的國際合作為基礎,拓展了LT未來的技術可能性; 這同時也意味著更多來自國際方面的競爭、約束和協(xié)作,復雜的國際背景也成為LT中國概念先導項目FAST的特點之一.

4 大望遠鏡的初期探索

4.1 阿雷西博型單元的構想—靈感與地形

吳盛殷從京都回國后,向相關學者匯報了大會的基本情況.北京天文臺決定成立LT計劃課題組(Large Telescope project Group,LTG),最初的成員是南仁東、彭勃、吳盛殷等人.LTG面臨的第1個問題是,是否應該爭取將LT建在中國? 對于射電天文學家來說,答案是肯定的.中國缺乏大型觀測設備,且相關技術基礎薄弱.倘若LT落戶中國,便能在國際合作框架下,以較小的投入獲得可觀的收益.由此產(chǎn)生了第2個問題: 中國是否有參與臺址競爭的優(yōu)勢? 鑒于國內當時的經(jīng)濟狀況,政府無法直接投入巨額資金.但中國幅員遼闊、地形種類繁多、無線電環(huán)境相對寧靜、勞動力廉價.團隊需要結合現(xiàn)有條件,提供有吸引力的LT中國臺址或技術方案.

對于LT的基本構型,一個自然的想法是已有諸多先例、由小型天線組成的陣列.小天線陣列需要廣闊的平原,LTG考察了甘肅、青海和內蒙古等地區(qū),以尋找適宜的臺址.同時,一種新構想也逐漸成形.威爾金森在1991年發(fā)表的文章中提到,陣列的接收面積達1 km2,比AT大14倍,比VLA大75倍[9].這使LTG想到,1 km2的面積可由像AT那樣的巨型球面構成.這一構型對地形的要求更為嚴苛.阿雷西博型(Arecibo-type)單元需要天然的喀斯特洼地.這種地貌經(jīng)過長期演化,地質結構穩(wěn)定,可大幅減少工程開挖量,從而顯著降低造價; 而且坑內不會積水,周圍的群山作為自然屏障,也可以阻擋外界的無線電干擾[13].經(jīng)中科院遙感所聶躍平介紹,LTG得知貴州有大片的喀斯特地貌,具有作為臺址的可能性.

1994年3月,LTWG在英國召開第一次工作會議(LTWG-1),對LT的科學目標和技術方案進行討論,明確在科學目標的引導下,LT計劃既要保證技術上的先進性,又要考慮經(jīng)濟上的可行性.根據(jù)科學目標可得出望遠鏡的性能指標,但經(jīng)費會大大限制可行的技術路線.經(jīng)估算,當時LT所允許的每平方米天線造價約為200美元,遠低于VLA(0.013 km2,10000美元/m2)和GMRT (0.048 km2,1000美元/m2)4南仁東等.國際大射電望遠鏡(LT)爭建建議書.北京: 國際大射電望遠鏡中國推進委員會,1996: 14.LTG提供了8個平原候選臺址,還提出利用阿雷西博型單元組成陣列的建議.代表們對中國科學家的方案很感興趣,希望LTG能進一步開展臺址勘察.聶躍平在4月先行前往貴州,初步考察了兩片洼地集中區(qū),相關結果在8月舉辦的LTWG-2會議上得到展示.LTWG在會上大體確認了3種LT單元: (1)阿雷西博型球形反射面.(2)自適應相位陣.(3)由小拋物面天線組成的密集陣列,如用400面10 m天線構成的等效單元.其他方案因造價或技術限制而被排除.同年9月和11月,LTG成員對貴州進行實地踏勘、測試無線電環(huán)境干擾,發(fā)現(xiàn)貴州的喀斯特洼地在單坑尺度、數(shù)量、分布范圍、無線電環(huán)境等方面均頗具優(yōu)勢.這一LT中國路線后被稱為KARST計劃(Kilometer-square Area Radio Synthesis Telescope project)[14].

4.2 “大膽的設計革新”: 饋源索支撐

AT是KARST方案的參考對象.這種球面天線的造價主要取決于主反射面和饋源支撐兩大部分,后者所占的比重更高5同上,p.53.不同結構的主反射面造價差異不大,這說明降低成本基本依賴于饋源支撐系統(tǒng)的改進.LT需在亞角秒分辨率下達到亞mK靈敏度,“基本單元” (或極致密子陣)的孔徑應為300-400 m.在LTG的規(guī)劃中,KARST單元口徑在300-500 m之間; 若采用與AT饋源支撐相似的技術方案,平臺的重量或將達到千噸甚至萬噸,造價高昂.KARST計劃的推進亟需饋源支撐系統(tǒng)的創(chuàng)新.1995年7月4-6日,LTG在北京天文臺密云工作站組織了一批工程技術專家討論LT相關方案.西安電子科技大學(簡稱“西電”)提出了幾種饋源支撐設想;其中最具影響力的便是取消用于AT饋源支撐的鋼結構,將一個“裸”的線饋源懸吊在主反射面上方,用索拖動定位,即饋源“無平臺”支撐方案.這一設想最直接的優(yōu)勢在于減少了饋源支撐系統(tǒng)的重量,從而大幅降低造價.

密云會議結束后,西電團隊進一步深化該方案,3個月后在LTWG-3貴州會議上做了正式報告.“裸”饋源的兩端裝有激光傳感器,可由全站儀實時測定饋源的空間位姿; 伺服驅動采用對懸索張馳主動控制的方式,代替AT的直接機械驅動.經(jīng)計算,采用光機電一體化設計的饋源“無平臺”支撐系統(tǒng)重量可降為約30 t,成本僅為前者的1/10,且避免了AT那樣龐大的支撐平臺對信號光路的遮擋.國外專家評價其為一種“大膽的設計革新”6同上,p.53.這意味著,光機電一體化的饋源索支撐方案在設計和技術上較為超前,雖具有一定風險,但有望成功.假如沒有這一方案或能達到相似效果的替代品,KARST計劃的造價將是難以承受的,甚至會導致該計劃的夭折.此外,一些新的饋源支撐設計也在討論中涌現(xiàn); 例如,在反射面中間立一根長桿,桿上搭有懸臂,線饋源利用懸臂移動.這些想法由于技術難度過大、造價高或無團隊跟進研究等原因,均未能實施.

4.3 主動反射面方案的提出

根據(jù)LT的科學目標,基本單元需以較低造價實現(xiàn)大天區(qū)覆蓋、一定的帶寬和偏振能力.AT天區(qū)覆蓋較小,天頂角僅為20°,阿雷西博型單元的天空覆蓋范圍必須擴大,盡管這類單元的天區(qū)覆蓋難以與全可動天線達到同一水平.為克服球差而采用的線饋源只能在幾個特定頻段工作.在LTWG-3上,中國團隊也曾提出可克服球差并實現(xiàn)寬帶的相位陣饋源(Phased Array Feed,PAF)方案; 比如西電的有源全頻段線/面饋源方案,電子部14所提出的雙反射面加相控饋源陣的設計思想7同上,pp.51-52.但它們并不成熟.在概念探索初期,LTG能建立的合作關系網(wǎng)規(guī)模也有局限.“實踐表明,設計簡單而廉價的克服球差的寬帶饋源是很困難的”[15].

1997年,邱育海在一次LTG組會上提出,球面與拋物面相差不大,阿雷西博型單元的主反射面可設計成主動模式,即球面的某一部分在用于觀測時變形為拋物面.球差不復存在,因而可用常用的喇叭式饋源代替窄頻帶的線饋源,寬帶和偏振問題迎刃而解.根據(jù)隨后的分析,倘若望遠鏡的口徑為530 m,觀測時使用300 m口徑,則天頂角為32°; 如選用560 m口徑,其天頂角可增至40°,此時可觀測天區(qū)可達60%以上[15].這一方案幾乎完美解決了上述所有難點.問題是它現(xiàn)實可行嗎? 經(jīng)計算,當焦距F=0.467R(R為球的曲率半徑)時,可得300 m的可用(照明)孔徑,此時球面與拋物面的最大差值僅為0.65 m[15]-這說明兩者形狀相近,對球面進行變形以擬合拋物面在理論上是可行的.龐大的主反射面可由眾多小型單元拼接而成.幾乎同時,AT加裝了用于克服球差的改正鏡.初步估算表明,反射面變?yōu)橹鲃邮剿黾拥馁M用低于采用AT饋源改正鏡的費用[15].主動反射面方案實質上進行了問題轉化,將克服球差的問題從饋源系統(tǒng)轉移至反射面部分.

5 3次轉向與FAST概念的形成

5.1 基礎性抉擇: 轉向KARST計劃

在LT/SKA早期討論階段,其技術路線大體分為兩類: 大口徑小數(shù)目天線(Large Diameter Small Number,LDSN)和大數(shù)目小口徑天線(Large Number Small Diameter,LNSD).前者包括中國的KARST和加拿大的LAR (Large Adaptive Reflector),后者由美國的ATA (Allen Telescope Array)、荷蘭的AAT (Aperture Array Tile)和澳大利亞的LLA (Luneburg Lens Antenna)組成[16].之前提到,LTG最初致力于LNSD路線的選址,后提出KARST計劃.LTG很快意識到LNSD中國臺址前景黯淡,在1995年將其放棄,完全轉向KARST計劃研究.這一轉變的原因主要在于3個方面: (1)資源不足: LNSD路線所需的平原地形在新疆、青海、甘肅、內蒙古等地均有分布,在廣大地域上選址需要一個大型團隊.LTG在成立之初僅有3-5位成員,且政府、中科院并未提供大量經(jīng)費,其他單位的協(xié)助多依靠私人關系、“自帶干糧”.既然貴州的大片喀斯特洼地已得到確證,將有限的財力、人力集中于一處是明智的選擇.(2)國際競爭力:在LT/SKA臺址確定之前,爭取LT落戶中國始終是LTG的核心目標.反觀國際局勢,美國、澳大利亞、荷蘭均提出了自己的LNSD型方案.美、澳都擁有廣闊的平原地形,無線電寧靜度良好,射電天文技術、人才儲備雄厚,語言文化相近.倘若LTG繼續(xù)LNSD路線的中國選址,則除了勞動力廉價之外中國幾乎再無優(yōu)勢.中國的無線電寧靜程度會因人口稠密,隨經(jīng)濟發(fā)展而惡化.KARST計劃對地形的要求較為嚴苛,貴州地貌得天獨厚,時任LTWG主席的布朗博士認為其“獨一無二”8同上,p.68; 相比于美國的波多黎各,貴州的喀斯特地形發(fā)育更好,地震、颶風等自然災害發(fā)生概率極小[17].換言之,KARST的臺址基本只能是貴州,貴州臺址是中國參與LT競爭的重要資本.此外,盡管KARST方案有一定局限(如視場和天區(qū)覆蓋小),但其技術較為清晰,很可能以更低造價獲得1 km2的接收面積,達到預期的靈敏度.(3)技術革新: 國內一些院所對阿雷西博型單元進行初步研究,提出了建設性的創(chuàng)新技術,光機電一體化饋源索支撐就是其中的典型.這些方案的提出與深化使中國LT的總體圖像清晰起來,對轉向起到了推動作用.

5.2 先導單元FAST

在LTG決定推進KARST計劃后,建設一面先導單元的想法浮現(xiàn)出來.KARST計劃初期構想大致為: 由30余面直徑約300 m的球面望遠鏡單元組成的陣列[18].各單元包含饋源索支撐等新穎設計以降低工程造價.創(chuàng)新與風險同在,利用改型的阿雷西博型單元組陣也具有風險.LT最終方案的確定尚待時日,為增強KARST計劃的競爭力,用于驗證關鍵技術的先導單元是必要的.LTG清晰地認識到,先導單元的作用不應局限于技術樣機,同時也是可進行有效科學研究的大型設備.在這一定位的引導下,望遠鏡的口徑應在經(jīng)費、技術允許的條件下盡量增大.雖然200-300 m口徑的單元可驗證方案的可行性,但其探測能力僅與已運行了30多年的AT持平,難以有顯著的科學產(chǎn)出.若口徑能增加到約500 m,先導單元的靈敏度將比AT高2倍.根據(jù)500 m的口徑以及英文縮寫KARST,先導單元被命名為FAST[14].威爾金森曾對AT評價道:“盡管其天空、頻率覆蓋受限,但阿雷西博望遠鏡的科學產(chǎn)出彰顯了其接收面積的優(yōu)勢,它比最大的全可動拋物面大5-10倍[9].” LTG所關注的焦點正是FAST巨大接收面積帶來的靈敏度優(yōu)勢.此外,在照明孔徑一定的情況下,口徑的擴大還能增加天區(qū)覆蓋,進一步拉大相較于AT 的性能優(yōu)勢.

無論LT/SKA是否采用KARST方案,先導單元的部分性能指標都將大幅超越現(xiàn)有設備.FAST建成后將是世界上靈敏度最高的米波-厘米波射電望遠鏡,為中國和國際天文事業(yè)的發(fā)展帶來有力驅動.作為LT中國方案的先導單元,FAST的科學目標與LT基本重合.多國合作的LT由于“眾口難調”進展緩慢,中國若能先行建成FAST,將占據(jù)科學發(fā)現(xiàn)的先機.經(jīng)專家初步研討,500 m口徑在技術上有實現(xiàn)的可能.從經(jīng)費角度看,這樣一面望遠鏡的預計造價也是政府有可能接受的,過大的口徑將使成本難以承受.后來,主動反射面方案被確認,FAST預研究計劃得到同行廣泛支持,先后獲得中國科學院、國家科技部和國家自然科學基金委的項目經(jīng)費.LTG和LT中國推進委員會(1995年LTG發(fā)起成立的統(tǒng)籌全國合作的非官方組織)的工作重點完全轉向FAST預研究,并在此基礎上申請FAST作為國家大科學工程項目獲得國家發(fā)改委立項,同時盡量爭取LT/SKA采用中國方案.

5.3 主反射面構型之爭: 穩(wěn)妥抑或突進?

在LTG初期的設想中,阿雷西博型單元的反射面是固定式的.在1997年邱育海提出主動反射面構想后,LTG內部產(chǎn)生了分歧.反對方認為,FAST應繼續(xù)采用成熟的固定球反射面,支持方則堅持推進主動反射面方案.相比于支持方,反對方擁有豐富的工廠車間經(jīng)驗,更關注風險問題; 盡管固定反射面會使FAST科學目標受限,但FAST口徑達到500 m,考慮到中國的望遠鏡建造技術、工業(yè)實力和經(jīng)費限制,采用固定反射面和饋源索支撐創(chuàng)新的FAST本身已有較高風險性,加入主動反射面會使風險激增.與之相對,支持方更強調創(chuàng)新設計帶來的性能突破; 在專家評估的有較大實現(xiàn)可能之基礎上,應當推進主動反射面方案.可以說,這是技術創(chuàng)新與工程風險之間的權衡.

支持方開始尋求相關領域專家的支持.作為中國射電天文學的奠基人,王綬琯院士對FAST也格外關注.他認為先導單元應追求比AT更大的天區(qū)范圍,雖然風險較大,但不妨嘗試主動反射面方案;邱育海[15]關于主動反射面的文章在他的推薦下得以發(fā)表.1997年6月,在支持方成員陪同下,王綬琯、葉叔華、陳建生3位中科院院士前往貴州實地考察,FAST的科學目標、臺址以及地方支持得到了他們的認可.王綬琯隨即向自動控制專家、中科院院士楊嘉墀咨詢主動反射面支撐結構所需的上千點實時控制能否實現(xiàn),楊嘉墀對其未來可行性持肯定態(tài)度[2]36-42.1997年秋,彭勃訪問德國,與100 m埃費爾斯伯格射電望遠鏡總設計師馮·赫爾納(Sebastian von Hoerner)討論FAST概念; 赫爾納對光機電一體化饋源索支撐和主動反射面兩項技術創(chuàng)新給予了高度評價.在一些立項申請受挫后,王綬琯、陳建生、楊嘉墀、陳芳允4位中科院院士聯(lián)名寫信推薦包含主動反射面的FAST項目.1998年2月,時任中科院院長路甬祥在推薦信上批復,支持FAST作為國家大科學工程候選項目.3月,邱育海等LTG成員訪問英國,正式向國際天文界宣介FAST概念,其中的主動反射面構想得到諾貝爾獎得主、天文學家休伊什(A.Hewish)等英國科學家們的肯定,主動反射面相關論文[19]也得到休伊什推薦,在國際天文學術刊物上發(fā)表.在一些專家認可的基礎上,主動反射面方案被基本確認,FAST主反射面構型由固定式轉為可動式.

轉向KARST計劃奠定了FAST概念形成的基礎,先導單元構想使國際合作的大科學工程發(fā)展為自主創(chuàng)新的中國大科學工程.當貴州喀斯特臺址、饋源索支撐和主動反射面3個要素都得到確認后,FAST完整概念便形成了.通過以南仁東為代表的FAST團隊的努力,FAST概念經(jīng)過預研究和建造被實體化.“中國天眼”FAST于2007年獲得國家立項批復,2011年3月開工建設,最終在2016年9月落成啟用.啟用時,習近平主席發(fā)來賀信,希望FAST團隊“早出成果、多出成果,出好成果、出大成果”.目前,FAST運行狀況良好,已取得了一批突出的科學成果[17]; FAST已成為新中國成立70年、改革開放以來40年的標志性大科學工程的成功建設樣板之一.2021年2月,總書記考察貴州時指出:“中國天眼”是國家重大科技基礎設施,是觀天巨目、國之重器,實現(xiàn)了我國在前沿科學領域的一項重大原創(chuàng)突破.

6 結語

FAST使中國射電天文學家擁有了先進的大型望遠鏡,中國射電天文學在部分科學領域中具備了實現(xiàn)跨越式發(fā)展的基礎和潛力.FAST的科學目標是先進的,其源于國際前沿的LT計劃.FAST概念衍生自LT中國概念KARST計劃,后者在國際競爭中著眼于發(fā)揚低成本和地形優(yōu)勢.FAST借鑒但未全盤復制AT,以高靈敏度為突破點并擴大天區(qū)覆蓋,創(chuàng)新的同時降低了風險.FAST以創(chuàng)新的工程概念突破了造價cost∝D3(D為幾何口徑)的關系,開創(chuàng)了廉價建造巨型射電望遠鏡的新模式9同上,p.68.可以說,FAST誕生于我國與國際天文學發(fā)展的互動與融合進程,實現(xiàn)了從跟進到占據(jù)先機的轉變.

對于饋源索支撐和主動反射面兩項創(chuàng)新,后者引起的爭議遠多于前者.事實證明,無先例可循的主動反射面的確具有高風險性.在FAST的建造過程中,反射面索網(wǎng)疲勞問題一度成為該項目的顛覆性危機[20].一些研究表明,在幾個方案(如主動反射面和固定反射面)間進行選擇時,不存在現(xiàn)成的理性程序[7]657-663; Simon[21]認為,這純粹是經(jīng)驗性的.團隊決策中的不同個體擁有各自的評價準則,準則間的協(xié)商(哪種方案更合適或誰作出讓步)必然基于決策者的權衡.設計者難以考慮到所有影響因素,所選方案通常是嘗試性的,方案的成功亦具有偶然性.在一些專家的支持下,主動反射面被采納并成功建造,其成功也具有一定的偶然性.在建造完成之前,專家們和LTG未考慮到的因素肯定存在,始料未及的突發(fā)情況需得到解決.盡管很多先進的大科學工程在竣工前都飽受爭議(如VLA曾被認為是“無法想象的”、“技術上不可行的”[22]),但相關專家的不同意見在概念討論時還是頗有參考價值.主動反射面方案反對方的擔憂是合理的,對團隊后期的工作起到了警示作用.國內外一些專家對主動反射面方案的肯定對LTG決策起到重要推進作用,在一定程度上降低了創(chuàng)新的風險.從科技政策的角度看,應把預制研究作為大科學工程建設中的獨立階段[23],給予專項資金支持; 在該階段中探索新技術路線,對其可行性進行驗證,且容許失敗,視情況決定是否立項建造.這樣能以相對較低的成本和風險鼓勵創(chuàng)新.工程設計者也應適當增加高風險方案的備用路線; 例如,除了索網(wǎng)結構,FAST研究團隊還曾試驗以機械支撐結構實現(xiàn)主動變形的技術,其作為備用方案可降低風險.

致謝感謝中國科學院FAST重點實驗室開放課題的支持.