中國(guó)天眼和“人民科學(xué)家”南仁東

吳鑫基

1993年北京天文臺(tái)以南仁東為首的射電天文學(xué)家成立了大射電望遠(yuǎn)鏡課題組，目標(biāo)是建造一個(gè)比阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡更大、更靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。

中國(guó)天眼項(xiàng)目的由來(lái)

國(guó)家天文臺(tái)的前身北京天文臺(tái)是我國(guó)射電天文的發(fā)源地。1958年，王綬琯承擔(dān)起發(fā)展中國(guó)射電天文的歷史重任。從觀測(cè)研究太陽(yáng)開始，逐漸進(jìn)入研究宇宙射電階段。到1990年代初，我國(guó)才擁有上海天文臺(tái)和新疆天文臺(tái)的2臺(tái)口徑25米射電望遠(yuǎn)鏡、紫金山天文臺(tái)的13.7米口徑毫米波射電望遠(yuǎn)鏡和北京天文臺(tái)密云綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。

與國(guó)際上的同類望遠(yuǎn)鏡相比，我國(guó)的望遠(yuǎn)鏡缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，只能算是一些小型設(shè)備。德國(guó)的100米可動(dòng)天線望遠(yuǎn)鏡、美國(guó)的305米固定天線望遠(yuǎn)鏡、印度的30面45米天線組成的米波綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡都屬于同類中的世界第一，我們望塵莫及。

1990年代，國(guó)家開始加大支持科學(xué)技術(shù)大項(xiàng)目的力度。郭守敬光學(xué)望遠(yuǎn)鏡成為我國(guó)天文界第一個(gè)國(guó)家項(xiàng)目，于1997年立項(xiàng)。射電天文學(xué)家看到了希望，提出很多計(jì)劃。最突出的就是北京天文臺(tái)南仁東團(tuán)隊(duì)提出的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目（FAST）。目標(biāo)是超越居于世界第一的美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，成為世界上最大、靈敏度最高的單天線射電望遠(yuǎn)鏡。

1993年，在日本召開的國(guó)際會(huì)議上，包括中國(guó)在內(nèi)的10個(gè)國(guó)家倡議建造21世紀(jì)1平方千米接收面積的特大型射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）。相當(dāng)于130臺(tái)口徑100米射電望遠(yuǎn)鏡的總接收面積。這是一個(gè)巨大的躍進(jìn)。

王綬琯指派南仁東負(fù)責(zé)，迅速組建了課題組，提出了SKA的中國(guó)方案：建造30多個(gè)口徑300米左右的阿雷西博式的望遠(yuǎn)鏡，組成平方千米射電望遠(yuǎn)鏡陣列。1994年開始大規(guī)模選址，1995年在貴陽(yáng)召開的國(guó)際會(huì)議還組織會(huì)議代表去初選的洼地站址考察。此時(shí)中國(guó)提出的SKA方案已成為五大候選方案之一。

南仁東團(tuán)隊(duì)不僅要參加SKA的國(guó)際合作項(xiàng)目，還想主導(dǎo)這個(gè)項(xiàng)目，讓它落戶我國(guó)貴州。為了達(dá)到這個(gè)目的，決定先行研制一臺(tái)口徑比較大的阿雷西博式的射電望遠(yuǎn)鏡。后來(lái)SKA決定落戶澳大利亞和南非。我國(guó)也就把這個(gè)先行項(xiàng)目變成了自主研制項(xiàng)目。1998年孕育出500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡完整的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)指標(biāo)。

睿智、有擔(dān)當(dāng)?shù)哪先蕱|

南仁東師從王綬琯院士，博士畢業(yè)后，應(yīng)用國(guó)際甚長(zhǎng)基線干涉儀網(wǎng)進(jìn)行射電星系核的觀測(cè)研究，曾主持并順利完成了歐洲及全球十余次聯(lián)測(cè)，搞得風(fēng)生水起。為了專心做好FAST，他毅然放下已經(jīng)得心應(yīng)手的研究領(lǐng)域，從頭學(xué)起望遠(yuǎn)鏡的研制。

北京天文臺(tái)于1994年成立了大射電望遠(yuǎn)鏡課題組，南仁東時(shí)任副臺(tái)長(zhǎng)，他任命彭勃為組長(zhǎng)。1995年成立中國(guó)推進(jìn)委員會(huì)，他任主任，繼而擔(dān)任FAST項(xiàng)目的首席科學(xué)家。每推進(jìn)一步，他都是領(lǐng)頭羊。

這是一個(gè)巨大的工程項(xiàng)目，涉及多項(xiàng)重大的技術(shù)創(chuàng)新。必須在全國(guó)范圍內(nèi)尋找人才和志同道合的大學(xué)和研究所，共同承擔(dān)研發(fā)任務(wù)。1995 年7 月，課題組在北京密云主辦大射電望遠(yuǎn)鏡方案研討會(huì)，邀請(qǐng)微波、電子、天線等方面的專家，集思廣益。西安電子科技大學(xué)，中國(guó)電科39所、14所，航天工業(yè)23所等參加了會(huì)議。

通過(guò)5年的努力，南仁東團(tuán)隊(duì)不僅給出了科學(xué)、可行的總體方案，提煉出待攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，還組織起了一支過(guò)硬的攻關(guān)科技隊(duì)伍。北京天文臺(tái)由他、彭勃和邱育海承擔(dān)FAST總體；中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用所聶躍平、朱博勤承擔(dān)臺(tái)址評(píng)估；西安電子科技大學(xué)段寶巖、清華大學(xué)任革學(xué)承擔(dān)饋源支撐；同濟(jì)大學(xué)李國(guó)強(qiáng)、南京天文儀器研制中心屈元根承擔(dān)主動(dòng)反射面；北京理工大學(xué)丁洪生承擔(dān)饋源支撐二次穩(wěn)定平臺(tái)；中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)所韓京清承擔(dān)控制策略；解放軍信息工程大學(xué)鄭勇承擔(dān)工程測(cè)量；清華大學(xué)李國(guó)定等承擔(dān)電性能分析……具備了申請(qǐng)立項(xiàng)的條件。

1998年初，王綬琯、陳建生、楊嘉墀、陳芳允4位中國(guó)科學(xué)院院士聯(lián)名寫信推薦FAST項(xiàng)目， 得到時(shí)任中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)路甬祥的同意，后來(lái)FAST成功申報(bào)國(guó)家大科學(xué)工程項(xiàng)目。

中國(guó)天眼獨(dú)特的創(chuàng)新

南仁東團(tuán)隊(duì)提出的FAST技術(shù)指標(biāo)，十分耀眼：要在靈敏度上超過(guò)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡2倍多一些，觀測(cè)天區(qū)范圍要擴(kuò)大1倍，綜合觀測(cè)能力要比阿雷西博望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)10倍。這個(gè)能力主要指能觀測(cè)的射電天體數(shù)目。

創(chuàng)新一：建造阿雷西博式的射電望遠(yuǎn)鏡

阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡物美價(jià)廉，又是世界第一。美國(guó)天文方面有很多世界第一的觀測(cè)設(shè)備，這是造價(jià)最便宜的，我們國(guó)家能夠負(fù)擔(dān)得起，有可能建造比它更大的，實(shí)現(xiàn)超越。

1963年美國(guó)科學(xué)家利用阿雷西博石灰?guī)r構(gòu)成的喀斯特地形，建造了一臺(tái)固定式的兼有射電望遠(yuǎn)鏡功能的雷達(dá)。結(jié)果天文觀測(cè)喧賓奪主，占據(jù)最多的觀測(cè)時(shí)間。他們找到一個(gè)開口大于300米的碗狀大坑作為底座，天線由固定在石灰?guī)r上的鋼索網(wǎng)支撐。最初的天線是金屬網(wǎng)的，到1997年已變成金屬面板，觀測(cè)波段擴(kuò)展到3厘米。

300米口徑的球面天線觀測(cè)時(shí)只用200米口徑，因此能夠分成很多指向不同的200米口徑的天線。球面天線沒(méi)有主光軸，不管用哪部分球面都可以聚集到相應(yīng)的焦線上。而拋物面只有一個(gè)焦點(diǎn)，只能觀測(cè)與主光軸平行的方向上的天體，所以拋物面天線射電望遠(yuǎn)鏡的天線都是全可動(dòng)的。

天線不動(dòng)，饋源就要能夠移動(dòng)。觀測(cè)不同方向的天體，饋源就要準(zhǔn)確移動(dòng)到相應(yīng)的位置上。解決辦法是把一個(gè)非常大的饋源軌道平臺(tái)吊到空中，饋源艙在軌道中移動(dòng)可以保證位置精度。這個(gè)軌道平臺(tái)很大，方圓100米出頭，很重，近千噸，笨拙且造價(jià)昂貴，但總算是解決了難題。線聚焦麻煩很多，要把一條長(zhǎng)達(dá)20多米的饋線送到指定的位置難度很大，1997年，他們?cè)黾恿烁恼R等附屬設(shè)備，把線聚焦變?yōu)辄c(diǎn)聚焦。

阿雷西博從1963年建成直到2020年12月1日倒塌之前，雄踞世界第一超過(guò)半個(gè)世紀(jì)。獲得了很多載入史冊(cè)般的成果，如測(cè)量了水星的自轉(zhuǎn)、發(fā)現(xiàn)了第一例太陽(yáng)系以外的行星、發(fā)現(xiàn)了第一例雙中子星系統(tǒng)。最輝煌的當(dāng)然是對(duì)雙中子星的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，間接證明了引力波的存在，該成果獲得1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

我國(guó)貴州的喀斯特地形發(fā)育更好， 地震、颶風(fēng)等自然災(zāi)害發(fā)生概率極小。這種地形優(yōu)點(diǎn)之一是雨后不會(huì)存水，很快就會(huì)滲透到地下。根據(jù)遙感資料，貴州地區(qū)有近400個(gè)候選的洼地。需要進(jìn)行實(shí)地勘察才能選出合適的。團(tuán)隊(duì)先后共考察了約100個(gè)洼地。南仁東親力親為，參加了近20個(gè)洼地的探查，與隊(duì)員們同甘共苦。最終在2006年為FAST找到一個(gè)理想的洼地：平塘縣的“大窩凼”，開口大于500米，各種條件都很優(yōu)良。

FAST團(tuán)隊(duì)找到了500米開口的喀斯特地形的洼地，建造500米口徑望遠(yuǎn)鏡前無(wú)古人，當(dāng)然也是一種創(chuàng)新。

創(chuàng)新二：饋源索支撐新技術(shù)

阿雷西博望遠(yuǎn)鏡最花錢的是饋源軌道平臺(tái)，如果FAST也采用這種方式，平臺(tái)的重量或?qū)⑦_(dá)到幾千噸甚至上萬(wàn)噸， 造價(jià)要高出很多倍，F(xiàn)AST將不可能立項(xiàng)。1995年在北京召開的學(xué)術(shù)會(huì)議上，西安電子科技大學(xué)段寶巖提出一個(gè)新穎的技術(shù)方案：取消饋源軌道平臺(tái)，采用鋼索吊起和驅(qū)動(dòng)饋源移動(dòng)。饋源艙重量降為30噸，成本僅為阿雷西博饋源平臺(tái)的1/10，而且還減少了龐大的支撐平臺(tái)的遮擋，增加了天線有效面積。隨后在貴陽(yáng)花溪國(guó)際會(huì)議上報(bào)告時(shí)，國(guó)外專家評(píng)價(jià)是“大膽的設(shè)計(jì)革新”。但這時(shí)的方案還僅僅是紙上談兵，存在風(fēng)險(xiǎn)。

這個(gè)方案成為FAST的生命線，南仁東很看重，組建了多個(gè)技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，除了西安電子科技大學(xué)段寶巖團(tuán)隊(duì)，還有清華大學(xué)的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)、北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)以及國(guó)家天文臺(tái)與德國(guó)MT公司組成的團(tuán)隊(duì)。

段寶巖團(tuán)隊(duì)先后搭建了一個(gè)5米和兩個(gè)50米的縮比驗(yàn)證模型。清華大學(xué)先后建造了4塔方案20/50米模型，6塔方案40米模型。這些不同比例的模型的實(shí)驗(yàn)，為FAST建設(shè)掃清技術(shù)障礙，積累了有益的工程經(jīng)驗(yàn)。

最后的結(jié)果非常理想：FAST用6座支撐塔及相應(yīng)的6根柔性索把饋源艙吊起，用索驅(qū)動(dòng)饋源艙送到指定的位置，精度達(dá)到厘米級(jí)。然后由饋源艙平臺(tái)上的機(jī)器人精確調(diào)整位置達(dá)到4毫米的精度，超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)。

索網(wǎng)使用的鋼索的應(yīng)力幅必須要達(dá)到500兆帕和200萬(wàn)次的疲勞強(qiáng)度才行。但300兆帕的鋼索還未誕生，中國(guó)沒(méi)有，世界上也找不到。沒(méi)有合格的鋼索，建成的FAST將會(huì)問(wèn)題不斷。

突如其來(lái)的難題使南仁東很著急，甚至有點(diǎn)坐立不安。他親自去工廠與技術(shù)人員商討，決定進(jìn)行系統(tǒng)的鋼索疲勞試驗(yàn)，并參加了部分實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)了兩年時(shí)間，通過(guò)涂層工藝的改進(jìn)和柔性的優(yōu)化，新的鋼索逐漸達(dá)到FAST工程的要求。不僅解決了FAST的難題，也推進(jìn)中國(guó)的企業(yè)創(chuàng)造了一種新型鋼索。

技術(shù)攻關(guān)很成功，饋源艙平臺(tái)僅30噸，跨度十來(lái)米。小巧輕盈、移動(dòng)靈活、位置精度高，可謂又一個(gè)奇跡。

創(chuàng)新三：采用主動(dòng)反射面技術(shù)，F(xiàn)AST更上一層樓

采用饋源索支撐技術(shù)后的FAST被稱為阿雷西博改進(jìn)型，南仁東非常認(rèn)可。但仍然需要采用線饋源或改正鏡技術(shù)。1997年北京天文臺(tái)邱育海提出主動(dòng)反射面的建議，讓固定不動(dòng)的反射面動(dòng)起來(lái)。把用來(lái)觀測(cè)的300米球面反射面改變?yōu)閽佄锩?，并能逐步推進(jìn)以實(shí)現(xiàn)跟蹤觀測(cè)，徹底解決了點(diǎn)聚焦的難題。

上海天文臺(tái)65米射電望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)用上主動(dòng)反射面技術(shù)，其功能是能夠?qū)μ炀€表面形狀做微調(diào)，當(dāng)監(jiān)測(cè)儀器發(fā)現(xiàn)表面變形就自動(dòng)把表面調(diào)整為理想的拋物面。當(dāng)然，由球面改為拋物面的調(diào)整幅度要大很多，特別是300米的口徑太大，必須發(fā)展新的技術(shù)。

邱育海的建議引起一些人的擔(dān)心，他們認(rèn)為，穩(wěn)妥起見(jiàn)，天線還是不“動(dòng)”為好。支持者認(rèn)為，這一變，F(xiàn)AST就脫胎換骨了，徹底解決了點(diǎn)聚焦問(wèn)題。南仁東很重視，也有些猶豫。作為首席科學(xué)家，他要百分之百地保證FAST圓滿完成，不能出任何差錯(cuò)或者拖延。為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，決定讓邱育海把建議寫成論文發(fā)表，廣泛征求國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的意見(jiàn)。彭勃率團(tuán)參加英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)月會(huì)并訪問(wèn)劍橋大學(xué)首次推介FAST概念時(shí)，不僅得到肯定，還請(qǐng)求諾貝爾獎(jiǎng)獲得者休伊什把邱育海的論文推薦給英國(guó)的天文學(xué)術(shù)刊物發(fā)表。

王綬琯院士極為重視，親自向自動(dòng)控制專家、中國(guó)科學(xué)院院士楊嘉墀咨詢，討論主動(dòng)反射面支撐結(jié)構(gòu)所需的上千點(diǎn)實(shí)時(shí)控制能否實(shí)現(xiàn)？楊院士表示可行。王綬琯院士才放心，不僅支持主動(dòng)反射面，還特別叮囑南仁東務(wù)必?cái)U(kuò)大FAST的觀測(cè)天區(qū)范圍，實(shí)現(xiàn)比阿雷西博大一倍的設(shè)計(jì)。 邱育海的論文發(fā)表后，國(guó)內(nèi)外的好評(píng)如潮，南仁東迅速組織研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行攻關(guān)實(shí)驗(yàn)，獲得成功，成為FAST最亮麗的創(chuàng)新點(diǎn)。

為了驗(yàn)證索網(wǎng)主動(dòng)反射面方案，同時(shí)集成饋源支撐等形成完整望遠(yuǎn)鏡，2005年啟動(dòng)密云MyFAST 整體模型的建造。包括4個(gè)12米高的鋼塔、30米直徑反射面圈梁、球形索網(wǎng)、饋源、簡(jiǎn)易接收機(jī)、綜合布線與測(cè)量系統(tǒng)等，一應(yīng)俱全。2006年9月6日成功觀測(cè)到銀河系中性氫。為FAST工程可行性提供了重要支撐。這是由清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和解放軍信息工程大學(xué)等合作研制完成的。

世界第一的FAST建成

FAST于2007年獲得國(guó)家立項(xiàng)批復(fù)， 經(jīng)過(guò)幾年周密的準(zhǔn)備，于2011年3月開工建設(shè)。南仁東常常頭戴安全帽出現(xiàn)在工地上，與工人、技術(shù)員打成一片。

以臺(tái)址勘察與開挖工程為先導(dǎo)，開始了長(zhǎng)達(dá)5年半的施工。承擔(dān)施工的幾乎都是國(guó)內(nèi)最頂尖的工程公司，承擔(dān)圈梁鋼結(jié)構(gòu)安裝的是江蘇滬寧鋼機(jī)，建造索網(wǎng)工程的是柳州歐維姆機(jī)械，進(jìn)行饋源塔制造與安裝的是青島東方鐵塔等。

工程量最大的是反射面圈梁和反射面的建造。圈梁采用管桁架結(jié)構(gòu)，寬11米、高5.5米，由50根等距分布的格構(gòu)柱支撐。6670根鋼索編織成500米口徑球冠面主索網(wǎng)，反射面就鋪設(shè)在主索網(wǎng)上，由4300個(gè)三角形、150個(gè)邊緣異型鋁合金面板單元和背架組成。

反射面的形狀由索網(wǎng)決定，反射面變形是由固定在地面的下拉索和促動(dòng)器結(jié)構(gòu)連接索網(wǎng)的2225個(gè)結(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)變形。在圈梁外圍豎立的6座百米高的鐵塔，由6根纜繩吊起30噸重的饋源艙。

FAST于2016年9月建成，由新成立的調(diào)試組進(jìn)行全面的調(diào)試， 2020年1月11日通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，正式投入使用。2016年建成時(shí)，南仁東已經(jīng)身患重病，仍然親赴現(xiàn)場(chǎng)，見(jiàn)證他與戰(zhàn)友們奮斗了22年的成果。不到1年，2017年9月15日，他就永遠(yuǎn)地離開了我們，享年72歲。

南仁東沒(méi)有辜負(fù)黨和人民的期望和重托，給祖國(guó)和人民獻(xiàn)上一份大禮之后離開了人間。不僅留下了具有國(guó)際領(lǐng)先水平的射電望遠(yuǎn)鏡，還有他勇攀科學(xué)高峰、不畏艱難困苦、勇往直前的革命精神。

2016年9月25日，國(guó)家主席習(xí)近平發(fā)來(lái)賀信，指出“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡被譽(yù)為‘中國(guó)天眼，是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。它的落成啟用，對(duì)我國(guó)在科學(xué)前沿實(shí)現(xiàn)重大原創(chuàng)突破、加快創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展具有重要意義”。

在“中國(guó)天眼”落成5周年之際，上海科技教育出版社出版了南仁東的副手和師弟、國(guó)家天文臺(tái)彭勃研究員撰寫的《天眼工程——大射電望遠(yuǎn)鏡FAST追夢(mèng)實(shí)錄》一書，以全程親歷者的視角，用通俗的語(yǔ)言、300余張珍貴圖片和大量一手資料，真實(shí)記錄了“中國(guó)天眼”的誕生歷程。

這本書講述了我國(guó)老中青三代科技精英為建造世界第一的中國(guó)天眼奮力拼搏的故事，共記錄了600多個(gè)人的名字，永遠(yuǎn)銘記每一個(gè)人的貢獻(xiàn)。這些人主要包括國(guó)內(nèi)46所高校和研究所的300多位專家學(xué)者、11個(gè)國(guó)家的62位著名學(xué)者、一批辦實(shí)事的政府領(lǐng)導(dǎo)和工作人員。大家協(xié)同努力戰(zhàn)勝了很多困難，使我們國(guó)家的單天線射電望遠(yuǎn)鏡躍居世界第一的計(jì)劃得以實(shí)現(xiàn)。

幸福地走到中國(guó)天眼近旁

筆者曾經(jīng) 5 次去貴陽(yáng)參加 FAST 舉辦的活動(dòng)，2023 年 7 月再一次訪問(wèn) FAST，雖已 88 歲高齡，仍然希望能再到天眼近旁看看。中國(guó)天眼基地負(fù)責(zé)人、總工程師姜鵬親自安排了這次訪問(wèn)。筆者在望遠(yuǎn)鏡圈梁通道上繞反射面盡興走了近半圈，體會(huì)中國(guó)天眼創(chuàng)建的艱苦歲月和取得的一個(gè)個(gè)進(jìn)展。小巧的饋源艙掛在高空，看到的是一個(gè)邊緣模糊的白色小圓盤。筆者盯著碩大無(wú)比的反射面反復(fù)觀看，仿佛看到它在變形……

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