位於貴州省平塘縣的500米口徑球面射電望遠鏡FAST，是世界第一大單口徑射電望遠鏡，被譽為中國「天眼」。它於2016年正式建成啟用，開始接收來自宇宙深處的電磁波。至今，FAST望遠鏡已經發現40多顆脈衝星，為我國天文觀測作出了巨大的貢獻。
FAST投入使用後，除了巡視宇宙中的中性氫，研究宇宙大尺度物理學，以探索宇宙起源和演化，還將觀測脈衝星，研究極端狀態下的物質結構與物理規律；甚至可以搜索星際通訊信號，開展對地外文明的探索。圖片來源：央視新聞
然而鮮為人知的是，因為雲貴高原為雷電多發區，FAST在建設初期曾多次受雷擊侵擾。所以要確保FAST望遠鏡正常運行，防雷十分關鍵。27歲的張仲作為總設計師帶領團隊擔下了這個高難度任務，在他們的守護下，「天眼」自投入使用以來，沒有發生大面積雷擊致設備故障，沒有對觀測產生任何不良影響。
這個結構特異、體型巨大的中國「天眼」如何布下如此防護嚴密的雷電「結界」？不由得讓人想一探究竟。
初探——
5天內爬崖越坑 完成上千點位勘察
2012年底，張仲所在的北京萬雲科技開發有限公司準備競標FAST射電望遠鏡防雷設計項目，張仲也被公司任命為項目組總設計師。而競標需要提交的初步設計方案和思路，就來源於5天限定時間內，團隊在貴州FAST施工現場的實地勘察。
這差事不輕鬆，從貴陽到FAST所在的平塘縣克度鎮大窩凼需要坐5個多小時的車，而且最後7公裡的路程還是只有拖拉機才能通行的機耕路。一路下來，大家都已經被顛得七葷八素。
按照設計，整個FAST需要布設2260個促動器，以便隨時調整望遠鏡的主動反射面，最大限度收集宇宙電磁波。而每個促動器都必須做好防雷保護。這些促動器均勻分布在望遠鏡的各塊反射面板上，這意味著勘察要跑遍整個窩凼。
大窩凼窪地有多大？張仲告訴記者，它位於群山岙中，有30個足球場那麼大，「等於我們每天要不停地在百米高山上爬上爬下，而其中大多數還分布在懸崖峭壁、深壑窪凼等地勢險要部位。」
施工進展及周邊山體環境圖。圖片來源：京華時報
在大窩凼最高位置有一個非常關鍵的勘察點位，它距離大窩凼中心垂直高度有500多米，正面幾乎是90度光禿禿的巖石，無法攀爬，勘察隊員只好繞到後山，負重十幾公斤的儀器，越過幾十公裡的山路行進到目的地。
就這樣，張仲和同事在規定的時間內，完成了上千個點位的勘察，獲得了土壤電阻率等關鍵數據，了解了造成雷擊的具體原因，最終形成一份一萬多字的高質量勘察報告。團隊也順利入圍了下一輪競標。
設計——
另闢蹊徑 開創防雷新思路
防雷設計，很長一段時間內是面向普通建築以及一些古建築的。近些年來，隨著科技的發展，防雷業務才開始拓展到雷達、望遠鏡等設備領域。因而每一次對新設備的守護，可能都是一次沒有經驗可循的挑戰。
FAST施工現場圖 圖片來源：中建二局
傳統建築防雷設計的原理，一般是在剛性結構連接的建築屋頂安裝接閃器，截獲雷電流，再通過建築內鋼筋作為引下線（或專設引下線），將雷電流引入接地裝置後安全流散至大地。然而FAST的各主要結構都不是剛性連接的，而是通過索、軸、錨等進行柔性連接。一些專家此前很擔心：如果雷擊後引下來的強電流反覆在這些連接組件上傳導，會不會導致組件的性能下降？
FAST工程索網結構有500米的跨度，這在世界範圍內極為罕見。而且因為地理位置等原因，場地限制極為苛刻，FAST實現了複雜地形條件下高空大型空間索網的施工工法，500米跨度的索網位形精度須達到±5mm以內，相對精度是十萬分之一。圖片來源：知乎
而如果按照常規思路，在圍繞望遠鏡的六座百米高的饋源支撐塔上鋪設避雷線，則如同在望遠鏡上方編織了一個金屬網，將會大大影響它接收電磁波信號的效果。
在大家絞盡腦汁、爭論無果的時候，張仲把自己關在家裡，反覆回顧自己所學的電路知識，突然想通了，其實不一定非要執著於從外部入手：把FAST拆分開來，只要每層都是穩定的電荷面，FAST正上空就不會發生劇烈雷暴，FAST空中最主要柔性連接結構-饋源支撐索遭受大幅值雷電流概率就大大降低，甚至可以忽略。
就這樣，張仲另闢蹊徑想到一條新思路：雷雨雲底部多呈現負電荷，當在6根饋源支撐索上感應出正電荷，支撐索就會在500米口徑主動反射面上感應出負電荷，只要在主動反射面下方安裝一張巨型綜合地網，綜合地網就能感應出與主動反射面相反的正電荷，不管在空間哪一層都形成一個相對穩定的電荷面。這樣只需把防雷設計重心放在做好節點電氣連接、接口電湧防護等工作上就可以了。
依山建立的饋源支撐塔的「特色長短腿」。在球面射電天文望遠鏡外側600米直徑圓周上，建造均勻布置的6座不同高度的饋源支撐塔，以及相關的塔基礎、附屬設施、防雷接地等。圖片來源：中電工程華北院
在團隊的共同努力下，張仲等人完成的三個階段「設計方案」都獲得了FAST項目方的高度認可，正式接手FAST項目防雷設計。當時還健在的FAST項目首席科學家南仁東評價，「這個年輕的設計團隊，正給我們不斷帶來驚喜。」
守護——
雷電對「天眼」影響微乎其微
幾年過去了，在張仲團隊的精心保障下，FAST項目順利完成了建設，並平穩度過了每次雷暴天氣。憑藉FAST項目，張仲等人創造了國內乃至世界防雷工程技術「三個第一」：第一次成功完成並掌握了大尺度光機電一體化的索支撐輕型饋源平臺防雷設計及關鍵技術，第一次實現了巨型口徑球面射電望遠鏡整系統防雷設計，第一次提出了窩凼低空雷擊理論。同時他們還填補了國內防雷裝置健康監測系統建設設計的空白和喀斯特地貌有效接地網設計的空白。
如今FAST安全運行已接近兩年，張仲等人一直在跟蹤望遠鏡的防雷效果，通過監測，饋源支撐塔流過雷電流最大僅為4.1kA，而普通民用建築的防雷設防標準是100kA，這意味著在現有防雷措施下，雷電對「天眼」的影響微乎其微。
前不久，張仲團隊在「第12屆北京發明創新大賽」中榮獲特等獎，張仲也因此被授予「創新大工匠」榮譽稱號。面對這些榮譽，他說：「能守護FAST是我最大的榮幸。」
圖片來源：國家FAST工程防雷工作組
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作者：中國氣象報 記者 馮子晏 通訊員 鄭迪
圖片來源：央視新聞、京華時報、中建二局、中電工程華北院等綜合
微信編輯：一多