“973”项目–SKA建设准备阶段关键问题研究

SKA建设准备阶段关键问题研究 (科技部973项目,批准号:2013CB837900,首席:彭勃)

  项目旨在:把握SKA国际合作先机,开展SKA科学和技术研究,力争在少数重大科学和技术问题上取得突破,全面提高我国射电天文前沿科学和技术研究 水平;使用现有的国内和国际的先进设备,基于现有科研骨干力量,发展有创新内容的模型和理论, 取得一流科研成果;争取本团队在一批科研和技术方向进入国际领先行列, 为SKA建设及未来由中国科学家领导的早期科学做初步准备。

   2016年SKA开工建设,SKA中国团队将与荷、英、澳、瑞典等国开展高性能天线、宽带馈源和高品质接收机等合作。通过DVAC天线性能分析研究、设 计研究和成型工艺方法研究,为研制DVAC天线样机奠定技术基础,同时通过DVAC天线、PAF和接收机的研制,力争在SKA项目建设中提出创新性的高精 度轻型天线设计方案,形成一批高新技术自主知识产权,推动我国天线设计理论、制造工艺方法、宽带大视场馈源、接收机等技术的发展,提升我国企业技术创新能 力和参与国际高技术竞争能力。

  持续参与SKA国际合作,将使我国在射电天文科学研究、技术提升、人才队伍培养、大科学装置研发、运行和维护等方面获得收益,将有助于我国跻身国际射电天文前沿,相关高技术自主创新能力得到跨越式提升。成就国际大科学工程“中国制造”和“中国创造”里程碑。

  1、 SKA科学目标预研究

  立足中国射电天文实际情况,开展SKA科学目标预研究,实现有限目标重点突破,在SKA投入运行之前做好科学储备。主要方向如下:

  1)        基于SKA的暗能量研究;

  2)        宇宙再电离与“黑暗时期”探测;

  3)        利用SKA观测河外射电源的研究;

  4)        利用国家天文台新疆乌拉斯台射电基地,依托21CMA项目,进行SKA核心数据处理技术的研究;

  5)        其他SKA科学问题的探索 (如脉冲星与引力波、暗物质)

   SKA计划2024年建成。使用这一大型观测设备将使我国天文工作者在望远镜“制高点”上,与国际同行站在同一起跑线上竞争,有望参与多项重大前沿课 题,推进我国在天文学前沿课题理论和方法上的创新和突破;与我国自主创新的已有望远镜配套使用,扩展互补探测能力,协同开展我国全波段天文和天体物理前沿 研究。

  本项目预期目标:

  1)结合中国射电天文的大科学装置,在广泛调研的基础上,选择有限目标,确定1-2个以我为主的重点突破的方向,发展和形成中国的SKA早期科学目标;

  2)建立中国SKA科学团队,培养射电天文人才;

  3)完成中国SKA科学目标的研究报告;

  4)理解并努力掌握SKA的核心数据处理技术,为我国将来使用SKA数据进行科学研究做好准备;

  5)完成15篇左右研究论文;

  6)培养10-15名研究生。

   本科学团队在进行SKA早期科学目标预研究的同时,面对中国射电天文人才缺乏的实际状况,将特别重视科学团队建设与人才培养,并与国内大学合作,为中国 SKA做好人才储备,并引入国内外人才。我们将聘请国际知名射电专家每年组织一次“中国SKA暑期学校”,培训研究生、高年级本科生及国内年轻学者。

  2、 SKA天线研究预期目标与成果

  SKA天线研究的预期目标是:针对SKA天线的需求,通过理论分析、设计仿真及专题实验,给出先进可行的天线设计方案;通过样机制造和测试验证,对系统设计方案的可行性进行评估,为SKA天线建设奠定技术基础,同时为同类型天线设计提供理论及方法支持。

  成果形式主要有:SKA天线技术专项研究报告,SKA天线设计方案报告,SKA天线测试报告;SKA天线样机偏置、正馈各一台。

  天线技术指标如下:

  工作频段:0.3~10GHz

  天线口径:15米

  天线口径效率:≥55%

  第一旁瓣:≤-18dB

  主面精度:≤ 1mm r.m.s

  天线工作范围:方位:±270°;俯仰:+15°~+85°

  转动速度:方位:3°/s;俯仰:1°/s

  馈源切换时间:≤30秒

  风速:收藏风速20m/s;生存风速45m/s

  使用寿命:≥30年

  3、 宽带大视场接收机系统研究预期目标与成果

  通过国际合作,掌握单波束宽带馈源和相位阵馈源理论分析与设计方法,完成单波束馈源仿真设计及PAF阵列单元仿真分析,以及相应的设计分析报告。

  完成低噪声放大器研制和数字波束合成网络研究技术方案,设计、制造单波束宽带馈源和相位阵馈源,完成测试实验,形成实验报告。

  探索在自主研发的SKA单元天线DVAC和其它国内大型射电望远镜如FAST、上海65米等望远镜的应用形式,开展性能测试和天文试观测。

  成果形式主要有单波束宽带馈源和相应制冷系统的技术方案,PAF接收机关键技术研究报告及样机一台,可用于DVAC天线。

  接收机技术指标如下:

  工作频率:L-波段

  工作带宽:20~50 MHz

  馈电单元:20~40个

  合成方式:数字波束

  4、 人才培养

   除科学产出和技术进步之外,在人才培养和产学研基地建设方面,参考国际先进经验和方式方法,为国际型人才储备和科研设施建设打下良好基础。SKA的综合 性能将在本世纪领先至少三十年,将为我国几代天文学家持续成长、跻身国际研究前沿创造有利条件。在国际合作中学习、总结与发展大型望远镜阵列及终端设备相 关的先进技术,有利于我国光机电领域技术人员掌握相关核心技术,为今后的大工程储备技术人才。我国将与SKA 参与国进行全方位多层次人员交流这样的交流访问,可以使我们了解设计细节,有助于SKA中国贡献部分的工作实现。

  培育中国的SKA科学研究后备力量,通过与国际SKA团队合作,立足国内天文台和大学,联合培养研究生,为我国今后SKA科学研究做好人才准备。每年举办一届中国SKA暑期学校,聘请国际知名专家,为中国学生及青年学者授课。

  5、 管理和社会效益预期

  持续参与SKA这一国际重大基础科学装置的建造、管理和运行,可以在实践中学习和掌握国际大科学工程管理模式。

   此外,持续参与SKA将提升我国在国际科学界的形象,取得明显的社会效益。中国作为发展中大国,日益受到国际上关注,国际社会对中国的期待也越来越高。 SKA建成后将为探索宇宙奥秘、回答人类共同关心的重大科学问题提供长期合作的平台;参与SKA,中国可以发挥应有作用。SKA建设准备阶段关键技术预先 研究,将增加高技术领域就业机会,培养相关技术人才,积极发展绿色制造业。其关键部件可实现自主设计、验证与制造。在此过程中将形成一批自主知识产权,全 面提升批量生产水平,增强我国相关产业的国际竞争力。