《三体》里的红岸基地？不，这是中国“天眼”FAST的雷电“结界”！
位于贵州省平塘县的500米口径球面射电望远镜FAST，是世界第一大单口径射电望远镜，被誉为中国“天眼”。它于2016年正式建成启用，开始接收来自宇宙深处的电磁波。至今，FAST望远镜已经发现40多颗脉冲星，为我国天文观测作出了巨大的贡献。
FAST投入使用后，除了巡视宇宙中的中性氢，研究宇宙大尺度物理学，以探索宇宙起源和演化，还将观测脉冲星，研究极端状态下的物质结构与物理规律；甚至可以搜索星际通讯信号，开展对地外文明的探索。图片来源：央视新闻
然而鲜为人知的是，因为云贵高原为雷电多发区，FAST在建设初期曾多次受雷击侵扰。所以要确保FAST望远镜正常运行，防雷十分关键。27岁的张仲作为总设计师带领团队担下了这个高难度任务，在他们的守护下，“天眼”自投入使用以来，没有发生大面积雷击致设备故障，没有对观测产生任何不良影响。
这个结构特异、体型巨大的中国“天眼”如何布下如此防护严密的雷电“结界”？不由得让人想一探究竟。
初探——
5天内爬崖越坑 完成上千点位勘察
2012年底，张仲所在的北京万云科技开发有限公司准备竞标FAST射电望远镜防雷设计项目，张仲也被公司任命为项目组总设计师。而竞标需要提交的初步设计方案和思路，就来源于5天限定时间内，团队在贵州FAST施工现场的实地勘察。
这差事不轻松，从贵阳到FAST所在的平塘县克度镇大窝凼需要坐5个多小时的车，而且最后7公里的路程还是只有拖拉机才能通行的机耕路。一路下来，大家都已经被颠得七荤八素。
按照设计，整个FAST需要布设2260个促动器，以便随时调整望远镜的主动反射面，最大限度收集宇宙电磁波。而每个促动器都必须做好防雷保护。这些促动器均匀分布在望远镜的各块反射面板上，这意味着勘察要跑遍整个窝凼。
大窝凼洼地有多大？张仲告诉记者，它位于群山岙中，有30个足球场那么大，“等于我们每天要不停地在百米高山上爬上爬下，而其中大多数还分布在悬崖峭壁、深壑洼凼等地势险要部位。”
施工进展及周边山体环境图。图片来源：京华时报
在大窝凼最高位置有一个非常关键的勘察点位，它距离大窝凼中心垂直高度有500多米，正面几乎是90度光秃秃的岩石，无法攀爬，勘察队员只好绕到后山，负重十几公斤的仪器，越过几十公里的山路行进到目的地。
就这样，张仲和同事在规定的时间内，完成了上千个点位的勘察，获得了土壤电阻率等关键数据，了解了造成雷击的具体原因，最终形成一份一万多字的高质量勘察报告。团队也顺利入围了下一轮竞标。
设计——
另辟蹊径 开创防雷新思路
防雷设计，很长一段时间内是面向普通建筑以及一些古建筑的。近些年来，随着科技的发展，防雷业务才开始拓展到雷达、望远镜等设备领域。因而每一次对新设备的守护，可能都是一次没有经验可循的挑战。
FAST施工现场图 图片来源：中建二局
传统建筑防雷设计的原理，一般是在刚性结构连接的建筑屋顶安装接闪器，截获雷电流，再通过建筑内钢筋作为引下线（或专设引下线），将雷电流引入接地装置后安全流散至大地。然而FAST的各主要结构都不是刚性连接的，而是通过索、轴、锚等进行柔性连接。一些专家此前很担心：如果雷击后引下来的强电流反复在这些连接组件上传导，会不会导致组件的性能下降？
FAST工程索网结构有500米的跨度，这在世界范围内极为罕见。而且因为地理位置等原因，场地限制极为苛刻，FAST实现了复杂地形条件下高空大型空间索网的施工工法，500米跨度的索网位形精度须达到±5mm以内，相对精度是十万分之一。图片来源：知乎
而如果按照常规思路，在围绕望远镜的六座百米高的馈源支撑塔上铺设避雷线，则如同在望远镜上方编织了一个金属网，将会大大影响它接收电磁波信号的效果。
在大家绞尽脑汁、争论无果的时候，张仲把自己关在家里，反复回顾自己所学的电路知识，突然想通了，其实不一定非要执著于从外部入手：把FAST拆分开来，只要每层都是稳定的电荷面，FAST正上空就不会发生剧烈雷暴，FAST空中最主要柔性连接结构-馈源支撑索遭受大幅值雷电流概率就大大降低，甚至可以忽略。
就这样，张仲另辟蹊径想到一条新思路：雷雨云底部多呈现负电荷，当在6根馈源支撑索上感应出正电荷，支撑索就会在500米口径主动反射面上感应出负电荷，只要在主动反射面下方安装一张巨型综合地网，综合地网就能感应出与主动反射面相反的正电荷，不管在空间哪一层都形成一个相对稳定的电荷面。这样只需把防雷设计重心放在做好节点电气连接、接口电涌防护等工作上就可以了。
依山建立的馈源支撑塔的“特色长短腿”。在球面射电天文望远镜外侧600米直径圆周上，建造均匀布置的6座不同高度的馈源支撑塔，以及相关的塔基础、附属设施、防雷接地等。图片来源：中电工程华北院
在团队的共同努力下，张仲等人完成的三个阶段“设计方案”都获得了FAST项目方的高度认可，正式接手FAST项目防雷设计。当时还健在的FAST项目首席科学家南仁东评价，“这个年轻的设计团队，正给我们不断带来惊喜。”
守护——
雷电对“天眼”影响微乎其微
几年过去了，在张仲团队的精心保障下，FAST项目顺利完成了建设，并平稳度过了每次雷暴天气。凭借FAST项目，张仲等人创造了国内乃至世界防雷工程技术“三个第一”：第一次成功完成并掌握了大尺度光机电一体化的索支撑轻型馈源平台防雷设计及关键技术，第一次实现了巨型口径球面射电望远镜整系统防雷设计，第一次提出了窝凼低空雷击理论。同时他们还填补了国内防雷装置健康监测系统建设设计的空白和喀斯特地貌有效接地网设计的空白。
如今FAST安全运行已接近两年，张仲等人一直在跟踪望远镜的防雷效果，通过监测，馈源支撑塔流过雷电流最大仅为4.1kA，而普通民用建筑的防雷设防标准是100kA，这意味着在现有防雷措施下，雷电对“天眼”的影响微乎其微。
前不久，张仲团队在“第12届北京发明创新大赛”中荣获特等奖，张仲也因此被授予“创新大工匠”荣誉称号。面对这些荣誉，他说：“能守护FAST是我最大的荣幸。”
图片来源：国家FAST工程防雷工作组
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中国气象报社 出品
作者：中国气象报 记者 冯子晏 通讯员 郑迪
图片来源：央视新闻、京华时报、中建二局、中电工程华北院等综合
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