姚蕊:守護中國天眼的瞳孔,與大國重器一同成長_風聞
CC讲坛-CC讲坛官方账号-创新引领未来,传播改变世界。2021-05-18 11:17
“中國天眼”正在用它世界上最靈敏的大眼鏡望向宇宙深處。守護中國天眼,在最美的年華和大國重器一起成長,找尋科研的、人生的“最好解”和“最優解”。
大家看一下這張圖片,這是被譽為"中國天眼"的,500米口徑球面射電望遠鏡FAST。
它是在1994年的時候,由中國天文學家南仁東先生提出,歷時二十二年,在2016年的9月25日正式落成啓用。這個望遠鏡是由中國科學院國家天文台主導建設,具有我國自主的知識產權,現在世界上單口徑最大,最靈敏的射電望遠鏡。
在2020年的1月11日,我們通過了國家驗收,開啓了第一個觀測季,迄今為止我們已經發現了新脈衝星300餘顆,還有快速射電暴等一系列的成果。
在2021年的3月31日零點,我們開始向全世界的科學家正式開放了。
它是世界上靈敏度最高的望遠鏡,靈敏度代表什麼呢?當你的靈敏度越高的時候,同一時間你能接收到的天體信號會越強,你就可以探索更多的未知。這是我國建設的射電望遠鏡,第一次站在世界的制高點上,而且在未來的10~20年,它的靈敏度仍然是國際的領先水平。
如果説現在把FAST譽為"天眼",那麼在中間的這一個直徑13米,重30噸的,裝有接收機並且要把它精確定位的這個東西就被大家比喻成"瞳孔",我就是 FAST"瞳孔"守護人,我叫姚蕊。
我參與它的研究和工作已經將近十六年。有人説:你真是值了!我覺得“值了”這兩個字,是我參與了十六年工作最簡短,但是卻最有力的總結。也有人問我:你怎麼能夠參加這樣一個項目?我覺得這裏面有我的機緣巧合,還有我的人生選擇。
我是2005年的時候進入清華大學讀研究生,我所在的研究室主要是做應用科學研究,研究方向是並聯機器人。因為我生長在一個工科背景的家庭,從小在製圖板上長大的我,報大學志願的時候,第一志願就是機械工程,最後我也如願以償了,能把個人的愛好和國家的需求結合在一起,就是一個非常理想的方向。但是因為考慮到我是女生,我們實驗室的老師會特別照顧我一下,他們説經常去工廠出差,不太方便,所以就讓我跟着我們實驗室的唐曉強老師,來進入一個課題,這個課題就是FAST饋源支撐系統的研究。
和大家現在看到的FAST不一樣,我最初看到的FAST就是像左上邊這張圖一樣,FAST那時候有很多不一樣的方案。饋源支撐系統不是像現在看到的6根繩索去牽引的,有4根、8根、12根等等不同的方向。我一開始介入的時候是這樣的一個4索模型,我要進行整個,索並聯機器人的相關研究,進行它的運動學、靜力學、剛度、優化設計等等,在這個過程中,我積累了很多的理論的知識,也做了一些研究。
到了2009年的時候,唐老師當時是作為FAST饋源支撐系統的聯合總工,他和國家天文台一起策劃,在密雲建立了一個40米的饋源支撐系統模型,這是一個1:15的模型,我非常幸運地就參與其中。到了我要畢業了,似乎做科研是順理成章的事情,但做完了40米模型之後,我又有一種科研成果變成了工程實際的充實感。在科研的過程中,我好像是在發現問題,然後去找到這些問題的“最好解”。但在工程的過程中,我需要融合各種各樣的問題,我需要考慮到它的經費,它的工程可行性等等,會變成我要尋找“最優的解”。“最好的解”和“最優的解”都讓我覺得很好,都樂趣無窮。
當時還有兩件事特別影響我:一件事情是我們學校是一直倡導着我們一定要**“立大志,入主流,上大舞台,成大事業”。**所以在這種歷史的洪流中我也希望成為其中的一份子。同時還有一件事情,我跟着唐老師參與了很多次FAST研討會,會議上經常會有爭執,會有質疑,年輕的我二十多歲,我會有一種躍躍欲試的感覺,我想成為去擊破這些質疑的一份子。我覺得當二十多歲還帶有少年感的感覺,就是覺得我應該要衝鋒陷陣。
這個時候FAST向我伸來了橄欖枝,問我願不願意加入這個團隊,那我當然是求之不得,所以我在二十七歲的時候,正式加入了“中國天眼”團隊,在二十九歲的時候,就開始負責FAST饋源艙。
FAST真正牛的地方是它的高性能,它的獨特的設計,這些獨特的設計在現在看來,就是公認的FAST三大創新,但是我們走過的人卻知道,這是我們曾經邁過的三個坎。
**第一個坎是到底在哪裏建?**500米一個大坑,你知道挖起來要多少錢嗎?在我們立項的時候 2006年 2007年,批覆我們的經費只有六個多億,而我們現在要建造一公里的地鐵,就需要十個億,其實來講這個經費是遠遠不夠的,所以我們必須要找到一個天然的地方,給我們建這麼一個望遠鏡。
現在都很難想象,南老師他們第一批的FAST人,經過了十幾年,通過遙感,通過一步步地走,找到了這樣一個坑。它不僅是地方好,而且它有比較好的溶洞喀斯特地貌,還有它在貴州相對偏遠的地方,有很好的射電環境,這使我們選擇了它,但是十幾年,我們才找到了它,FAST整體投資在11.6個億。
**第二個坎是我們創新的主動反射面技術。**我們知道拋物面其實是會有一個焦點,是最大程度的 能夠把所有的射電信號,去聚集在一個點。也就是説,一個時間能接收到的信號最多,這個設計好像聽起來不錯,但是要知道我們的望遠鏡裏面,是有6000多根鋼索來編織成一個巨大的索網,而這些索網還有2000多個節點下面有下拉索,還有2000多個促動器同時在工作,來實現300米範圍之內的,從球面變成拋物面。
也就是説在我們500米的大鍋裏面,我們可以形成無數個300米口徑的拋物面,你可以看看它是怎麼運動的。那麼就會有一個問題了,我們發現要用到的6000多根鋼索,是需要達到200萬次的疲勞循環次數,要應力幅達到500MPa,這是當時國內國際相關標準,最高標準的2.5倍,我們根本找不到這樣的鋼索,我們該怎麼辦?
**第三個坎是,我們用了一個輕型的饋源支撐系統,就像我負責的天眼的瞳孔就在裏面。**説起來很簡單,它是用6根繩索來牽引一個30噸的饋源艙。**可是它的定位精度是饋源艙上面饋源的向心點,需要在200米的工作範圍之內,定位在一個10毫米的小圓球裏面,**所以你能想象這個工作有多難嗎。而且當時在90年代提出這個概念的時候,並聯機器人還是一個比較新的產物,國內國外的研究都很少,就像右邊這個圖就是一個並聯機器人,還有我們6根索形成的索並聯機器人,那時候更是全新事物。
FAST在建設的時候,其實就面臨着概念太過大膽了,它的技術理論太多空白,國內工業的整個基礎都不夠強大,因此在FAST提出之初,設計之時,哪怕到了最後建設之後,都會面臨着很多很多的質疑。
大家都説FAST到底能不能建成,建成之後能不能用,面對這些質疑的時候,我們整個團隊沒有退縮,其實不光是我們,還有國內的很多高校和研究所,還有很多很多的工業單位和我們一起,去共同用科技力量來實現了FAST。同樣的我們看到FAST也帶領着我們一批一批科技力量的成長,培養了一批又一批的科技人員,我也是其中的一份子。
舉一個小例子"虛牽" 。虛牽是索並聯機器人一種共通的問題,**如果説你是用幾根繩索去吊着一個重物,聽起來很簡單,但是你要吊着這個重物,去達到它要的一個定位精度,就會變得很難。**所以如果這幾根索裏面的其中一根索力相對比較小,或者是説這幾根索的索力,相對來説太不均勻的時候,你就沒有辦法來實現它的定位的控制。那麼怎麼辦,我們是要真刀實槍地用,在前面的實驗模型中我們會發現,在實際中還是會出現虛牽。
**我是一個喜歡從結果找原因的人,**我翻閲了大量的實驗結果發現不對,最終是要控制它的定位精度,我從它的定位精度反推過來之後發現,在一些位姿上的時候,它的索力對於控制精度極其敏感,所以針對這個問題,我建立了一個無量綱的一種指標體系,來完成了最初的40米模型,當時的索並聯機器人的姿態優化,最後優化的係數,還用到了我們500米的FAST上面。在這個過程中,其實我的研究思路是從工程問題中,去揭示它的問題,揭示它的本質,然後通過這些本質,再做一些理論的創新,方法的創新。
**所以當有一些我的師弟師妹會問我,做工程還能再做科研嗎?**我説:太能了,你能發現它背後的原因,它背後一定是有原因的。而且我説:一定要去這種大的工程裏面,因為大的工程一定是背後採用很多的新技術、新方法,你都需要去做一些科研的突破。
當然除了科研以外,其實這個工程也給了我很多的鍛鍊。我在負責饋源艙,500米的大鍋裏饋源艙只有直徑13米,但是它卻有一個非常嚴格的重量指標:30噸。你不能超過,為什麼?因為這直接涉及到整個索,還有6個塔,包括地質條件等,各方面的條件它都是連接的。所以當時給我的指標就是重量30噸,可是我們饋源艙卻曾經一度到了34~35噸,而且減不下來,甚至越減越重。
在2014年的時候,如果你問我饋源艙長什麼樣,我會告訴你長這個樣子,跟你現在看到的是不一樣的,它是一個圓柱形的形狀。但它接口非常多,我們做設計的時候,當時面臨着兩個問題,一個就是我剛剛説的重量,因為它的設計指標不停地在變,我們不停地要去做優化設計,但是怎麼也減不下來。就在我們已經減不下來的時候,又告訴我們除了裏面的九套饋源接收機,我們還想用一套超寬帶的接收機。我説:也行,有多大,你把設計指標給我。結果給了我之後發現,那一個就頂我們九個那麼大,這怎麼辦?我沒有地方可以裝了。
我們饋源艙團隊自己一起研究,和接收機團隊一起合作後來發現,我們換個思路吧,我們做一個分組方案,一個裝不下,我們換兩個下平台,中間給我一點更換的時間。然後還是減不下來怎麼辦?
我們做了一個形狀的改變,你能看到右邊的這張圖,有點像這種三角鑽石型的圖,就是我們後來做優化之後變成的一個形狀。剛開始我們優化成這個形狀的時候,還有點忐忑不安,因為那麼多年我們看習慣了圓柱體,所以我拿着這張圖給南老師看的時候,我有點忐忑。南老師看了看説:對稱的三角形,看起來還行,不難看。然後我們就把這個設計,用作了我們最後饋源艙的形狀,也是大家現在看到的饋源艙的形狀。而也是因為有這樣子的一個突破,我們很順利地把我們剛剛説的超寬帶的接收器裝上了,而且FAST最早發現的科學成果,包括一開始的毫秒脈衝星都是它來完成的,所以它在很長的一段時間內是幫助了FAST來擊破,到底FAST能不能用的這一個質疑。
這個過程也讓我覺得,其實工程中有太多的不如意,太多的困難,但是你只有敢於創新,敢於去打破原來的固有的思維,你才有可能殺出一條血路。
在科研和工程過程中,除了我最初理解的,“最好的解”和“最優的解”以外,我在整個FAST 建設期間,我還有了一些新的感覺。**我會覺得可能科研有時候能單打獨鬥,但是做工程真的不行,必須要團隊合作。**一方面是一種客觀需求,因為工作內容太多,大家分的接口也非常多,合作的人多,單位多,你不團結,不一起合作往前走,你根本走不下來。還有一種是主觀的需求,我覺得我需要壓力分解,因為太難了,有時候遇到問題我需要集思廣益,需要大家一起來往前走。所以我覺得在一項大工程裏,一個人優秀遠遠不夠,它需要的是一個團隊 一起把這件事情做成了,這個項目才能説是優秀,每一個人的使命感和責任感,可能會直接影響到最後整個工程的結果。
FAST在2016年建成了,然後經過了不到15個月的調試期,就已經開始有成果出來了。其實15個月,大家聽了覺得一年多好長,但是要知道在國際上,一般射電望遠鏡的調試期大約在4年左右,所以我們是用超快的速度,完成了它的整個的調試,出了脈衝星的成果,還出了快速射電暴等等一系列的成果。大家開始有了肯定,原來的質疑好像開始平息下來了,我們才微微鬆了一口氣。
我見證了FAST整個的成長,十六年之間,我自己也成長了很多。但我覺得更有幸的是,還見證了在FAST背後的很多科研成果在我們國家落地,並且得到更廣泛的應用。
比如説我剛剛提到的,200萬次,500MPa應力幅的鋼索。南老師還有他當時的助理姜鵬,幾乎走遍了國內所有的鋼索廠家,最後也聯合了研發單位,還有我們國內的廠家,一起研發出了這種鋼索,而且這個鋼索還用在了港珠澳大橋的建設中。
還有我們的饋源裏面要48芯的光纜,這種48芯的高性能光纜,當時國內國際也是沒有的,也是為了我們研發,而這也提升了我國自己的研發和製造水平,這種光纜也得到了更廣泛的應用。
我無意搜了一下,發現其實基於 FAST,索並聯的機器人的研究,碩博士論文就已經超過百篇。而在這十幾年間,我看到了國內很多索並聯機器人的研究團隊也在應運而生。這都是我們願意看到的,因為FAST不僅是一個大工程,它是背後的一羣科技力量的成果,以及科技的進步。
經過那麼多年的發展,我們所有人都積累了自己的科研感覺,創新思維,以及經驗,我們覺得是能夠助力我們進一步做一些科研創新的。
剛剛説的南老師當時的助理姜鵬,在2017年調試期的時候,他開始接過了南老師手中的接力棒,成為了我們FAST團隊的總工。他現在正在琢磨,我們要不要基於FAST,做做雷達天文學的研究,就是有一個主動雷達去向天體發射信號,然後FAST去接收,因為我們的靈敏度很高,我們接收的效果很好,這樣子來進行一些天體結構,一些精確測距的研究。
不光是他,還有我的同事甘恆謙和劉鴻飛,他們正在致力於,國產高性能接收機的研發。還有我的同事也是我的領導李輝老師,他現在正在做反射面相關的功能的升級,包括未來的整個觀測天區的增大。還有我的同事孫京海,他也在優化整個的觀測效率。我也沒停下來,我還想進一步地去優化饋源艙,當時饋源艙減重減不下來,我現在索性想把裏面的結構改一改,要用一個可重構的索並聯機器人,來代替現在裏面的剛性並聯機器人,有可能減重三分之一,也就是説有可能會裝更多的接收機,有可能能擴展更多的功能。
所以在這條科研的路上,我們都沒有停歇。
未來的路不會一路平坦,但是我們有準備。
未來,我相信還會有更多年輕的我們。現在就有00後要加入我們了,我也相信有更多的90後,00後,10後,能夠加入到國之重器中來。
我也希望,我們能夠稍稍告慰一下南老師,讓他看到因為FAST聚集了,國內國外的所有的天文學家,還有科技工作者,一起在這裏探尋宇宙更廣闊的一些未知場景。
我們,我們FAST 的我們準備好了!