北京国企匠心造“天眼”

北京日报 2017/5/10 7:52:00

在贵州省平塘县的深山里,2016年9月建成启用、有着中国“天眼”之称的500米口径球面射电望远镜目光流转,投向了浩瀚苍穹。作为我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜,“天眼”的主体结构设计中也有北京市建筑设计研究院有限公司(以下简称BIAD)的参与,该项目结构工程与实践于近日获得了北京市科学技术奖一等奖,来自北京国企的设计为“中国创造”增光添彩。

巧设计破解地形难题

记者5月9日来到了BIAD,一探中国“天眼”背后的设计理念和故事。

在常人看来,这是一个直径500米、面积达30多个足球场大小的超级望远镜,而在工程师的图纸上,它是46万块三角形单元拼接而成的球冠形主反射面,内置可移动变位的复杂结构索网系统。

“它的设计完全不同于一般的固定建筑,‘天眼’是可主动变位的巨型球面望远镜,精度控制要达到毫米级别。”该项目反射面主体支承结构设计负责人朱忠义博士介绍,“天眼”从预研到建成历时22年,由中国科学院国家天文台主持建造,2011年底BIAD受国家天文台委托,承担“天眼”反射面主体支承结构设计及反射面板与主体结构连接节点的分析工作,简单来说,就是研究如何完美“拼接”好这些复杂且琐碎的构件。

让一个巨大的望远镜“安家”并不容易。当朱忠义团队刚来到贵州考察地形时,他们还是有些愣了神:这是一片地质和地貌复杂的岩溶洼地,边界复杂,周围环境高度落差大。这样的话,支承柱高度就得在3米至50米不等,造成“天眼”的组成部分——圈梁、索网和基础受力复杂,并且圈梁温度作用明显。地形和温差不作美,在对精度要求极为苛刻的“天眼”设计前摆了一个大难题。

为了啃下这块硬骨头,团队日夜奋战想对策改方案,最后提出将柱子与圈梁隔开,通过一个径向可动支座进行滑动释放。“简而言之,就是用一种可动的支座连接柱子和圈梁,而不是简单地焊死,圈梁、索网受力和变形均匀,有利于望远镜调整角度。”朱忠义说,单单是一个测量和验算环节,他们就进行了4个多月,为了在均匀温度环境下作业,团队经常在深夜里加班加点。

钢索长度误差不超1毫米

科学界有一句行话叫做“百米极限”,说的是口径超过百米的射电望远镜实现高精度是世界难题。

想做到高精度,关键是保障索网精度,BIAD的工程师就做到了这一点:索网精度严格把关,6000多根钢索长度误差均不超过1毫米,索网与圈梁牵固点位置精度也就有了保障。

高精度意味着高灵敏度。据介绍,“天眼”比美国Arecibo射电望远镜的有效接收面积扩大了2.3倍,灵敏度更是远远高于后者,“天眼”反射面还可以实时调整形态,成为世界上独一份的可主动变位望远镜。

人长时间运动肢体会酸痛,金属运行久了也会疲劳。团队还研究并评估了每根索30年观测周期内的累积损伤因子,评估了每根索单元的疲劳寿命,在每个细节上反复设计和实验,钢索疲劳应力远超国内外的规范要求。

空间索网及其换索的方法、一种分体式单向滑动铰支座、一种可大角度双向转动的铰接装置及其连接构造……在“天眼”项目设计过程中,BIAD的团队攻克了多项业界难题,申请了十余项国家专利。

北京设计闪亮“中国创造”

自2011年末,离北京千里之外的“天眼”现场成了工程师张琳的第二个家。他掰着手指头算,这五年来往返贵州15次,每次都至少一周时间,最长的一次待了半个月;工程师王哲在结婚纪念日为了“天眼”又出差,他安慰妻子说:“我们做的东西是献给全人类科技进步的大礼。”

地处深山,雨季绵长,时常惊雷滚滚,蚊虫横飞,居住条件简陋……但在张琳、王哲这些来自北京的工程师看来,能为国家的科技事业做点贡献乐在其中。他们都有一个共同的信念——让世界看到中国制造和中国建造,也能看到有着北京设计范儿烙印的中国创造。

继“天眼”后,BIAD还参与到了江门中微子实验站的建设之中,这是建在地下700米深、计划2020年投入运行的世界能量精度最高、规模最大的液体闪烁体探测器;BIAD还完成了中国科学院国家天文台120m脉冲星全可动望远镜结构设计的验算工作,建成后将成为世界最大的可转动低频望远镜。

据介绍,BIAD自成立60余年来,完成了大量国内外工程实践,其中包括“天眼”、北京新机场航站楼等诸多国家重点项目,并为建筑设计领域持续输出人才,助力国家在高精尖领域的探索。

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