行星际闪烁监测望远镜
来自银河系之外的致密天体所辐射的射电波在通过行星际空间时，会被太阳风湍流不规则结构散射，最终形成射电时序流量的随机起伏，该现象被命名为行星际闪烁。行星际闪烁如同太阳风中的射电浮标，可用于监测太阳风暴在行星际空间的扰动传播过程。
日前，国家重大科技基础设施“空间环境地基综合监测网”（子午工程二期）核心设备之一行星际闪烁监测望远镜通过工艺测试，将高效开展行星际空间天气日常监测，为我国和国际空间天气预报提供高质量观测数据。这是我国首台专门用于行星际闪烁监测的望远镜，由中国科学院国家空间科学中心牵头建设，实现了芯片级到系统级研制的全面国产化，探测灵敏度达到国际领先水平。
中国电科网络通信研究院为行星际闪烁监测望远镜配备了主站、辅站多套天线设备，是继2013年完成国家重大科研装备研制项目——新一代厘米-分米波射电频谱日像仪中106面大型超宽频带射电频谱天线阵后，在草原深处的又一力作。
2021年5月，网通院开启行星际闪烁监测望远镜的研制工作。由于天线口径大、性能要求高、研制难度大，历经三年的艰苦工作，网通院最终顺利完成研制工作。其所在的明安图观测基地草原天眼的数量将由3公里螺旋臂的106套天线扩充到200公里的338套天线，将是世界上天线种类最多、数量最大、性能领先的天文观测基地和天线展览馆，为大幅提升我国空间环境监测能力、理解日地空间环境和预报空间天气等领域发挥关键作用，为国际天文领域做出重要贡献。
“百公里阵列”：精准预报日地空间天气
子午工程是利用东经120°子午线附近，北起漠河，经北京、武汉，南至海南并延伸到南极中山站，东起上海，经武汉、成都，西至拉萨的沿北纬30°纬度线附近，建成一个以链为主、链网结合的，运用地磁（电）、无线电、光学和探空火箭等多种手段的监测网络。
作为子午工程二期重要组成部分的行星际闪烁监测望远镜，从大视场和多视点来预测背景太阳风和日冕物质抛射，生成行星际太阳风密度和速度的三维时空分布影像的空间天气预报产品；追踪行星际日冕物质抛射的空间位置和范围，预报地球空间环境扰动的到达时间和剧烈程度，避免空间天气对深空探测、宇宙航行、卫星通信、电力设施等产生灾害性的影响。
行星际闪烁监测望远镜的关键设备——天线设备，采用一主站、两辅站双频观测的设计方案，由三套主站的大型可动抛物柱面天线和两套辅站的30米口径抛物面天线组成，三站呈近似等边三角形分布。主站接收面积大，馈源数量多，系统灵敏度高，观测源数量多；在相距近200千米的位置，建立两个辅站，两辅站采用抛物面天线，天线口径30米，三频段自动切换，运用制冷技术，将系统噪声温度降至最低，便可观测较强的射电源。可精确测量行星际空间的密度可压缩微观结构、太阳风宏观速度、湍流宽频功率谱，为日地空间天气预报提供我国自主的行星际观测数据源。
“行星际闪烁监测望远镜在突破多项关键技术后，实现了高灵敏度多目标同时观测。作为空间天气预报产品，它将为灾害性空间天气预报提供数据和理论支持，为航空、航天、卫星通信与导航等高技术系统和国家安全提供保障。”网通院技术人员介绍道。
行星际闪烁监测射电望远镜安装架设
创新设计：迭代升级多目标观测
作为人类探寻日地空间天气预报的“大型阵列”，行星际闪烁监测望远镜需要获得对太阳及其他射电源、日地空间目标的多目标精准观测，独家秘笈除了得天独厚的站址条件外，便是科研人员创新打造的多种核心技术。
行星际闪烁监测望远镜的主站采用三个南北长140米，东西宽40米的抛物柱面天线并排安放，因每套天线紧密排列592个宽频带阵列馈源，馈源须具有频带宽、体积小、重量轻，传统馈源无法满足这种要求。通过艰苦的攻关工作，团队反复论证，结合每个方案的特点，反复迭代方案数十次，历时半年多，终于找到“最优方案”。在新型宽频带馈源的基础上，进行创新设计，改变了馈源的馈电方法并对其结构参数进行了优化。在馈源馈电支撑上增加了短路环，在天线振子上放置了匹配盘，通过调节短路环及匹配盘的位置，使馈源在双工作频段的电压驻波比优于指标要求，合适照射角产生高效率；天线单元之间采用高隔离度设计措施，减少单元互耦，有效改善了扫描后的有源驻波。突破了宽频带匹配、阵列馈源强互耦、宽角扫描、多波束合成等关键技术难题，实现了电动波束扫描及多波束合成，实现了高灵敏度的多目标同时观测。
此外，据伺服控制系统研制技术人员介绍，设备运行会产生电磁辐射，为了降低这些辐射对天线的影响，提高观测精确度，天线驱动及齿轮等传动部件均采用密封设计，伺服控制全部密封设计并进一步通过屏蔽及滤波措施加强了电磁兼容性、可靠性及环境适应性设计，保证了设备具有良好的电磁兼容性、环境适应性和更高的可靠性。
两个辅站由口径为30米抛物面天线组成，突破了双频段高效率馈源技术，配合低温制冷接收机，实现了射电源信号的高灵敏度接收。团队根据系统特殊需求进行创新性优化设计，系统控制具有自校准功能和完善的故障诊断功能，通过远程操作控制、健康监控及报警、测试维护等一系列技术的应用来增强行星际闪烁监测仪天线设备系统的综合能力，使其支持自动化运行模式，确保系统长期运行的安全可靠，实现了无人值守、自动化、智能化等功能。
行星际闪烁监测望远镜安装架设现场
“外刚内柔”：匠心打造最优反射体
“大型抛物柱面天线系统设计中最大的挑战在于整体结构设计，采用轻型、高刚度结构是满足项目目标的必然选择。由反射面和背架结构组成的天线反射体是天线整体结构的核心，因此，优化反射面和背架结构对于天线的减重、降低成本和提高精度都有着十分重要的意义。”天线副总设计师介绍说。
天线背架结构采用了船型空间桁架结构，为了得到最优的反射体刚度/重量比，项目组对天线背架和反射面支撑结构进行了多轮设计仿真优化，获取结构各部分杆件的截面尺寸，实现较好的刚度重量比，大大提高了反射器在俯仰运动过程中的面型保型性能。
柱面天线的俯仰驱动扇齿轮采用了大尺寸、桁架式俯仰齿轮组合结构，为增大天线背架刚度提供了保证，增大了俯仰平衡力矩，另外，桁架式结构有效降低了齿轮组合重量，具有较好的制造与安装工艺性。
单个140米*40米抛物柱面天线在长度方向分为3组，每组天线又包括3个驱动扇齿轮，因此，每组天线能否同步转动直接影响了天线系统性能的好坏。为了增加各组天线转动的同步性和可靠性，项目组经过反复论证，最终决定通过采用大跨度主从连杆传动装置进行每组天线的俯仰驱动，将单个柱面天线伺服电机的数量由9台减少至3台。
每套主从传动装置跨度近46米，中间布置主动齿轮，两侧分别布置从动齿轮，通过两根23米长的传动连杆进行动力传递，主动端和从动端齿轮的相对扭转角在最大风载下小于0.06°，有效保证了柱面天线在转动过程中的同步性。相对于多电机驱动方案，该项目采用的连杆驱动装置可靠性高、易于安装，不仅大幅缩短工期，还能降低安装调试和维护保养成本。
行星际闪烁监测望远镜是国家重大科技基础设施子午工程二期的重要组成部分，是子午工程二期的标志性设备之一，可实现对日地空间环境及太阳风等全圈层、立体、多要素综合观测，可跨越式提升我国综合观测能力，大幅提高我国在日地关系这一重大基础科学领域的创新研究能力，使我国步入世界空间天气领域的先进国家。
行星际闪烁监测望远镜正式建成，标志着子午工程全面转入科学研究与成果产出阶段，它将为人类观测射电源、追踪行星际日冕物质抛射、预报地球空间环境扰动提供重要机遇，开启人类探测、预报宇宙的新纪元。
记者王立鹏 通讯员李燕茹
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