Компания участвует в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах в рамках проекта крупнейшего в мире радиотелескопа с одной антенной FAST
По заказу исследовательского учреждения в Пекине компания FCTEL участвовала в проекте FAST — крупнейшего в мире радиотелескопа с одной антенной, разрабатывая устройства высокоскоростного преобразования и оптической передачи электрических сигналов различных датчиков, таких как многооборотные абсолютные энкодеры и датчики углового положения, в электромагнитно экранированные помещения. Это позволило решить давнюю проблему искажения сигналов после фильтрации перед вводом электрических сигналов датчиков в экранированное помещение, а также проблему рассогласования тактовых задержек на стороне высокоскоростных электрических сигналов после оптико-электрического преобразования в традиционных решениях оптоэлектронной передачи.
Компания FCTEL рада возможности внести свой скромный вклад в передовые китайские технологические проекты мирового уровня благодаря многолетнему опыту исследований и разработок в области оптической передачи.
Раскрывая тайны крупнейшего в мире радиотелескопа с одной антенной FAST (иллюстрация «Таинственная Земля»)
(Сообщение «Таинственной Земли») По данным Southern Metropolis Daily: «Предупреждаю вас: не отвечайте! Не отвечайте! Не отвечайте! В вашем направлении находятся десятки миллионов звёзд. Если вы ответите, источник передачи будет установлен, в вашу планетную систему вторгнутся, а ваш мир будет захвачен! Не отвечайте! Не отвечайте! Не отвечайте!» Это радиосообщение внеземной цивилизации, случайно принятое базой «Красный берег», где служит главная героиня научно-фантастического романа «Задача трёх тел».
В действительности реальный аналог базы «Красный берег», принимающий космические радиоволны, строится во впадине Даводан деревни Цзинькэ, посёлок Кэду, уезд Пинтан, провинция Гуйчжоу. Строительство крупнейшего в мире радиотелескопа с одной антенной «Небесное око» (FAST) уже вступило в завершающую стадию. После завершения строительства этот сферический радиотелескоп диаметром 500 метров будет иметь приёмную площадь, равную 30 футбольным полям.
26 декабря 2015 года Цзян Пэн, помощник главного инженера FAST и заместитель главного инженера системы рефлектора, на 2015 научно-популярной лекции в Пекинском планетарии рассказал о строительстве «Небесного ока» и преодолении связанных с ним технических трудностей. Сообщается, что по сравнению с американским телескопом Аресибо, вошедшим в число 10 выдающихся инженерных проектов человечества 20-го века, совокупные характеристики «Небесного ока» примерно в 10 раза лучше. Завершение всего проекта ожидается к сентябрю 2016 года.
После поиска более 300 впадин выбор в итоге пал на Даводан в Гуйчжоу
Многие могут задаться вопросом: почему «Небесное око» разместили в провинции Гуйчжоу со столь сложными геологическими условиями? По словам Цзян Пэна, учёные более десяти лет искали подходящую «глазницу» для «Небесного ока». На конференции Международного радионаучного союза в 1993 году астрономы из десяти стран, включая Китай, предложили инициативу строительства нового поколения гигантских радиотелескопов, чтобы заглянуть в первобытную Вселенную и ответить на многие сложные вопросы астрономии.
В конце 1995 года Китайский комитет по продвижению проекта большого радиотелескопа предложил концепцию «Карстового проекта», предусматривающую использование карстовой впадины в Гуйчжоу для сооружения сферического рефлектора. После многократного отбора была найдена впадина Даводан в посёлке Кэду уезда Пинтан — глубокая «глазница», наиболее подходящая для гигантского «Небесного ока». К 2007 году проект был официально утверждён, а площадка окончательно выбрана. В марте 2011 года в Гуйчжоу началось строительство FAST.
Выбор площадки занял столько времени потому, что проектная группа постоянно искала способы свести к минимуму объём земляных работ. С помощью спутникового поиска инженеры обнаружили более 300 впадин по всей стране. После нескольких этапов отбора выяснилось, что большая и округлая впадина Даводан на юго-востоке Гуйчжоу наиболее точно соответствует форме FAST. Кроме того, малонаселённая и спокойная местность вокруг впадины способствует снижению электромагнитных помех для FAST. С учётом всех этих факторов в 2007 году окончательный выбор «глазницы» пал на Даводан.
Создание гигантской «чаши» диаметром 500 метров на сложном рельефе
Подобно обычной параболической спутниковой антенне, FA ST состоит из двух основных частей: параболической поверхности, отражающей сигналы, и облучателя, принимающего их. Параболическая поверхность, обычно называемая «тарелкой», фокусирует отражённые сигналы в одной точке. По форме она напоминает огромную чашу. Единственное отличие — в ней собираются сигналы, посланные «гостями из космоса».
На этот раз строительная площадка расположена в горной местности с пересечённым рельефом. Вопрос о том, как создать гигантскую «чашу» диаметром 500 метров в столь сложных условиях, серьёзно озадачил специалистов. Различные коллективы предлагали свои идеи и решения; в частности, предлагалась раздельная конструкция с густой системой жёстких опор снизу. Однако в итоге был принят вариант с тросовой сетью.
Согласно схеме с натяжной тросовой сетью, во время работы FAST может следовать за движением небесных тел, отслеживать и сканировать радиоисточники. Сначала учёные управляют шестью стальными тросами, перемещая кабину облучателя по поверхности сферического сегмента диаметром 207 метров на высоте 140-180 метров над землёй. Затем 2,225 приводов, натягивая тросовую сеть, регулируют положение 4,450 отражающих панелей на ней, обеспечивая фокусировку FAST. Таким образом, FAST может свободно поворачиваться, подобно человеческому глазу. Принимая электромагнитные сигналы радиодиапазона, отражающие панели сводят космические сигналы к кабине облучателя.
Монтаж отражающих панелей полностью зависит от работы строительной бригады на высоте.
4 февраля прошлого года были завершены изготовление и монтаж тросовой сети FAST. Теперь посетители строительной площадки могут увидеть огромную «рыболовную сеть», сплетённую более чем из 6,000 стальных тросов. Однако, по словам Цзян Пэна, хотя эта сеть выглядит впечатляюще, сплести её было совсем непросто.
Как сообщается, вся тросовая сеть насчитывает 2,225 узлов, а её монтажный пролёт чрезвычайно велик. Строительная бригада выполняет высотные работы, поднимая каждый элемент тросовой сети и каждую отражающую панель и завершая сборку после точного измерения положения. При этом среднеквадратическое отклонение формы поверхности не должно превышать 5 мм. Для обеспечения точности специалисты специально создали помещение с постоянной температурой для изготовления натяжных тросов.
Ещё более серьёзная проблема — деформация стальных колонн из-за изменений температуры: перепад в 50 °C означает изменение на 300 миллиметров. Цзян Пэн объяснил, что для приспособления к неровному рельефу стальные колонны, поддерживающие конструкцию отражающей поверхности, имеют разную высоту. Чтобы предотвратить неравномерную деформацию, в местах соединения кольцевых балок со стальными колоннами установлены скользящие опоры. Это позволяет опорным кольцевым балкам свободно расширяться и сжиматься на колоннах, обеспечивая более равномерную деформацию.
Это похоже на создание запаса для компенсации деформации, максимальное перемещение при которой может достигать 0.47 метров. Благодаря этому «Небесное око», соединённое со «зрительным нервом», может гибко настраивать фокусировку. Стоит отметить, что из-за деформаций под действием собственного веса и ветровой нагрузки максимальная апертура традиционных полноповоротных телескопов обычно составляет лишь 100 метров. «Небесное око» с апертурой 500 метров и тросовой сетчатой конструкцией легко преодолевает предел в 100 метров, не только открывая новый подход к строительству гигантских радиотелескопов, но и обеспечивая после ввода в эксплуатацию чувствительность в 3.25 раза выше, чем у крупнейшего в мире телескопа обсерватории Аресибо в США.
После завершения строительства «Небесное око» будет искать внеземную разумную жизнь.
С момента зарождения идеи до нынешнего этапа, когда строительство «Небесного ока» близится к завершению, прошло более 20 лет. В каких областях оно проявит свои возможности после ввода в эксплуатацию? Ли Ди, главный научный сотрудник отдела радиоастрономии Национальных астрономических обсерваторий Китайской академии наук, в интервью СМИ отметил, что основной сферой работы «Небесного ока» останется астрономия: обнаружение далёких сигналов и вещества во Вселенной, исследования от происхождения Вселенной до структуры межзвёздного вещества, поиск слабых пульсаров и других слабых радиоисточников, а также эффективный поиск внеземной разумной жизни.
Чжэн Сяонянь, исполнительный заместитель руководителя проекта FAST и заместитель директора Национальных астрономических обсерваторий, в интервью СМИ заявил, что после завершения строительства «Небесное око» сможет проводить обзоры нейтрального водорода во Вселенной, обнаруживать межзвёздные молекулы, наблюдать пульсары и искать сигналы межзвёздной связи. С помощью этого зоркого гигантского глаза человечество сделало ещё один шаг вперёд в поиске внеземных цивилизаций.
В начале декабря прошлого года Пьеррик Мартен, астрофизик Национального центра научных исследований (CNRS) в Тулузе, Франция, и Института астрофизики и планетологии, с помощью космического гамма-телескопа NASA «Ферми» обнаружил первый гамма-пульсар в другой галактике на расстоянии 163,000 световых лет от Земли. Он стал самым ярким из известных гамма-пульсаров.
Обнаружение внегалактических пульсаров само по себе является одной из изначальных целей FAST. Согласно расчётам Национальных астрономических обсерваторий Китайской академии наук, тросовая сеть «Небесного ока» подвергается более чем миллиону циклов деформации при сроке службы 30 лет. Ли Ди весьма уверен в будущих результатах FAST: «После завершения строительства FAST будет сохранять мировой уровень в течение следующих 20 лет».
Шесть опорных башен высотой 100 метров
Управляя шестью стальными тросами, кабину облучателя перемещают по сферическому сегменту диаметром 207 метров на высоте 140–180 метров над землёй.
Кабина облучателя весит около 30 тонн, включая звездообразную раму, платформу Стюарта, кожух кабины и другое оборудование
Натягивая тросовую сеть с помощью 2,225 приводов, перемещают 4,450 отражающих панелей на ней для фокусировки «Небесного ока»
Как «Небесное око» защищается от ветра, дождя и молний
«Небесное око» построено в карстовой воронке тянькэн в Гуйчжоу. Как столь гигантское сооружение защищается от ветра, дождя и молний?
Учёные учли фактор осадков ещё при выборе площадки. Цзян Пэн отметил, что решение разместить «глазницу» в Гуйчжоу было принято не только потому, что её форма соответствует требованиям. Более сложная работа начинается позже: на этапе полевых изысканий проектной группе необходимо провести углублённую геологическую оценку низменного участка.
«Во всей впадине имеется не менее 600 отверстий — она практически превратилась в гигантское решето». Развитая сеть подземных рек, характерная для карстового рельефа, и многочисленные пещеры преподнесли приятный сюрприз: они обеспечили «Небесному оку» естественный дренаж. Во время дождя вода быстро просачивается под землю, предотвращая её скопление на площадке телескопа и повреждение электронного оборудования.
К декабрю прошлого года монтаж отражающих панелей был завершён более чем наполовину, и очертания «Небесного ока» уже начали проявляться: огромную долину заполнила полусферическая «сеть» из стальных тросов, примерно наполовину покрытая серебристыми отражающими панелями. На фоне окружающих её со всех сторон зелёных гор она выглядела как ослепительное зеркало.
Цзян Пэн обратил внимание на то, что при ближайшем рассмотрении кажущиеся гладкими панели активного рефлектора из алюминиевого сплава на самом деле покрыты бесчисленными отверстиями. Эти густо расположенные небольшие отверстия предназначены для снижения ветровой нагрузки и тем самым уменьшения влияния ветра со скоростью свыше 4-5 метров в секунду на наблюдения «Тяньянь».
Кроме того, отверстия улучшают светопропускание, позволяя растениям на поверхности антенны расти и предотвращая эрозию почвы. «Сохранение почвы и воды очень важно, иначе при сильной эрозии низинные участки во время дождя превратятся в грязевые пруды», — сказал Цзян Пэн. Он отметил, что, хотя озеленение полезно, буйно разрастающиеся лианы, забираясь на отражающие панели, тоже могут мешать наблюдениям. В настоящее время проектная группа совместно с рабочими регулярно удаляет разросшиеся сорняки.
Кроме того, многих беспокоят суровые климатические условия Гуйчжоу. Сможет ли «Небесное око» выдержать экстремальные ливни, снегопады, град и грозы? Цзян Пэн заявил, что для этого предусмотрены соответствующие меры. Например, для защиты от ударов молнии всё металлическое оборудование объединено в общую систему заземления, чтобы ток молнии мог быстро отводиться. «Кроме того, по опыту, экстремальные погодные явления занимают лишь очень небольшую часть года — обычно около 10 дней, поэтому их влияние не будет слишком значительным».
Прошлое и настоящее радиотелескопов
Развитие астрономических телескопов шло от малых апертур к большим и от коротких волн к длинным. В настоящее время оно сосредоточено главным образом на двух направлениях: «выход в космос» и «освоение земли». Из-за влияния земной атмосферы наблюдение большей части коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения невозможно, поэтому телескопы приходится выводить в космическое пространство с помощью космических технологий. Примеры — телескоп «Кеплер» и космический телескоп «Хаббл». Под «освоением земли» понимаются наземные телескопы, такие как строящийся сейчас в Китае радиотелескоп FAST.
Развитие радиотелескопов как одного из видов астрономических телескопов также отражает прогресс человечества в исследовании Вселенной. Лишь в 1873 году, когда был опубликован труд Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме», систематически и всесторонне излагающий теорию электромагнитного поля, люди осознали: свет — это тоже электромагнитная волна, а видимый свет занимает лишь очень небольшую часть обширного спектра электромагнитных волн.
В 20-м веке учёные, измеряя высоту ионосферы Земли, обнаружили, что электромагнитные волны с длиной менее 60 метров практически не возвращаются, проходя через ионосферу. Это явление пробудило воображение исследователей: если электромагнитные волны короче 60 метров могут беспрепятственно уходить с Земли в космос, то и аналогичные волны из космоса, вероятно, способны проникать через атмосферу и достигать Земли.
Так началась эпоха наблюдения человечеством космических радиоволн. В 1931 году лаборатории Белла в США с помощью антенной решётки приняли радиоволны из центра Млечного Пути. С этого момента официально родилась радиоастрономия. В последующие десятилетия были последовательно открыты пульсары, квазары, реликтовое микроволновое излучение и межзвёздные органические молекулы.
За более чем 80 лет с момента своего появления сами радиотелескопы также стремительно развивались. В 1955 году Великобритания построила в обсерватории Джодрелл-Бэнк в Манчестере поворотный радиотелескоп Ловелла диаметром 76 метров. В 1972 году было завершено строительство Боннского телескопа в Германии — крупнейшего на тот момент полноповоротного радиотелескопа в мире с параболической антенной диаметром 100 метров.
В 1963 году на острове Пуэрто-Рико в Центральной Америке было завершено строительство радиотелескопа Аресибо, первоначально имевшего диаметр 305 метров, позднее увеличенный до 350 метров. Стареющий Аресибо по-прежнему остаётся крупнейшим из когда-либо построенных радиотелескопов с одной антенной в мире.
В 1974 году в честь завершения модернизации телескоп Аресибо отправил сигнал из 1,679 двоичных цифр в шаровое скопление M13, расположенное в 25,000 световых лет от Земли. Этот сигнал известен как Послание Аресибо. В нижней части изображения также находился значок «солнечной печи», показывающий, как люди принимают и передают радиосигналы.
В настоящее время, помимо реализуемого в Китае проекта FAST «Небесное око», через два года ожидается начало проекта SKA, полное название которого — «Радиотелескоп с антенной решёткой площадью в квадратный километр». Дай Ши, молодой астроном, окончивший факультет астрономии Пекинского университета и ныне ведущий постдокторские исследования в Институте астрономии и космических наук (CASS) Государственного объединения научных и прикладных исследований Австралии, является участником проекта SKA.
По его словам, SKA будет состоять из тысяч небольших антенн, построенных в Австралии и Южной Африке. Ожидается, что он начнёт работу примерно в 2030 году и станет крупнейшим телескопом в истории человечества.
