大國(guó)工程背后的清華力量∣南仁東們：擦亮中國(guó)探索和追問(wèn)宇宙的“天眼”
來(lái)源：“清華大學(xué)”公眾號(hào) 2019-5-17
4月22日，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡通過(guò)工藝驗(yàn)收，此前，已于18日向國(guó)內(nèi)天文學(xué)家試開(kāi)放！
南仁東生前一直惦念在心的事情終于塵埃落定——我國(guó)擁有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡“中國(guó)天眼”（FAST）。“它將改變天文學(xué)的研究能力，特別是在射電天文學(xué)研究領(lǐng)域。”平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）組織總干事菲爾·戴蒙德這樣評(píng)價(jià)FAST。
“感官安寧，萬(wàn)籟無(wú)聲，美麗的宇宙太空，正以它的神秘和絢麗，召喚我們踏過(guò)平庸，進(jìn)入無(wú)垠的廣袤。”很多人還記得，在離開(kāi)這個(gè)世界之前，南仁東一字一頓地向他一生所愛(ài)的星空告白。
一個(gè)人的夢(mèng)想能有多大？大到可以直抵蒼穹。
一個(gè)人的夢(mèng)想能有多久？久到能夠穿越一生。
“72載人生路，像是只為FAST而來(lái)。”二十四年，從選址、立項(xiàng)、可行性研究，到指導(dǎo)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究以及模型試驗(yàn)，南仁東把畢生精力毫無(wú)保留地給了這個(gè)“大國(guó)重器”，奉獻(xiàn)了一個(gè)清華學(xué)子對(duì)國(guó)家民族的全部赤誠(chéng)和心力。
一朝功成，2017年9月15日，他走了。但他的事業(yè)沒(méi)有就此停下。在FAST的新起點(diǎn)上，更多的科研工作者正延續(xù)著他的足跡，繼續(xù)探索宇宙與未來(lái)。
結(jié)緣射電，半生相伴
時(shí)間回到1963年。
南仁東以吉林省理科高考第一的成績(jī)，考入清華大學(xué)無(wú)線(xiàn)電系，從此與射電結(jié)下了不解之緣。
“他這個(gè)人什么都愛(ài)學(xué)，學(xué)的也很快。”“下鄉(xiāng)”時(shí)，F(xiàn)AST顧問(wèn)斯可克也從清華無(wú)線(xiàn)電系分到了南仁東所在的吉林通化無(wú)線(xiàn)電廠(chǎng)，他覺(jué)得南仁東的熱情好像永遠(yuǎn)也用不完，“在工廠(chǎng)開(kāi)模具，他學(xué)會(huì)了沖壓、鈑金、熱處理、電鍍等‘粗活’。土建、水利，他也樣樣都學(xué)。他甚至帶領(lǐng)這個(gè)國(guó)企工廠(chǎng)的技術(shù)員與吉林大學(xué)合作，生產(chǎn)出我國(guó)第一代電子計(jì)算器。”
1978年吉林通化無(wú)線(xiàn)電廠(chǎng)技術(shù)科合影（前左3：南仁東）
因?yàn)橄矚g仰望蒼穹，南仁東報(bào)考了中科院研究生，從此在天文領(lǐng)域“一發(fā)不可收拾”。上世紀(jì)八十年代，南仁東使用國(guó)際甚長(zhǎng)基線(xiàn)網(wǎng)對(duì)活動(dòng)星系核進(jìn)行系統(tǒng)觀(guān)測(cè)研究，在這一領(lǐng)域的早期發(fā)展階段，主持完成歐洲及全球網(wǎng) 10 余次觀(guān)測(cè)，首次在國(guó)際上應(yīng)用 VLBI“快照”模式，取得了豐富的天體物理成果。
1993年，日本東京召開(kāi)國(guó)際無(wú)線(xiàn)電科學(xué)聯(lián)盟大會(huì)。科學(xué)家們提出，在全球電波環(huán)境徹底惡化之前，建造新一代射電望遠(yuǎn)鏡，接收更多來(lái)自外太空的信號(hào)。
“咱們也建一個(gè)吧。”國(guó)際上提出要建平方公里望遠(yuǎn)鏡，時(shí)任中國(guó)科學(xué)院北京天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)的南仁東則和幾位同仁提出一個(gè)大膽的方案——在中國(guó)建造直徑500米、世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。
當(dāng)時(shí)，中國(guó)最大的射電望遠(yuǎn)鏡口徑不足30米。而美國(guó)于 1974 年擴(kuò)建的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡直徑是 305米，德國(guó)波恩建成于 1972 年的埃菲爾斯伯格射電望遠(yuǎn)鏡 , 其拋物面天線(xiàn)直徑也達(dá)到100 米。
從這樣一句話(huà)開(kāi)始，南仁東把自己與FAST牢牢綁在了一起。
寧可少活二十年也要拿下中國(guó)天眼
南仁東是一個(gè)愛(ài)好藝術(shù)和哲學(xué)的科學(xué)家，尤其喜歡畫(huà)畫(huà)，在日本國(guó)立天文臺(tái)訪(fǎng)學(xué)期間，他創(chuàng)作了一幅油畫(huà)《富士山》，至今仍?huà)煸谠撔＝虒W(xué)樓的大廳里。
水平不輸專(zhuān)業(yè)水準(zhǔn)的南仁東對(duì)美是有偏愛(ài)的。“有一次我問(wèn)他，為什么反射面周?chē)牧倜字嗡乳g距排布，打亂排不是能減少很多工作量嗎？結(jié)果他就一句話(huà)，‘那樣不好看’。”FAST工程副經(jīng)理兼辦公室主任張蜀新回憶中的南仁東，永遠(yuǎn)是個(gè)“講究人”，做PPT都要求“完美”到被項(xiàng)目乙方認(rèn)為是請(qǐng)專(zhuān)業(yè)公司做的。有時(shí)候回到校園給研究生上課，他還會(huì)穿著花襯衫和牛仔褲。
然而，為了選出合適的FAST臺(tái)址，這個(gè)“講究人”毅然跳上了從北京到貴州的綠皮火車(chē)，走遍了大山里的上百個(gè)窩凼。亂石密布的喀斯特石山里，不少地方連路都沒(méi)有，只能從石頭縫間的灌木叢中，深一腳、淺一腳地挪過(guò)去。從1994年到2006年，南仁東用12年時(shí)間，終于找到了自己心目中“最獨(dú)一無(wú)二的洼地”。
南仁東（右一）選址階段考察大窩凼
2007年，F(xiàn)AST正式立項(xiàng)，南仁東的眉頭似乎皺的更緊了。在FAST饋源艙系統(tǒng)負(fù)責(zé)人姚蕊和南仁東的學(xué)生孫京海印象中，他總是窩在椅子上，盯著電腦屏幕，抽著煙，長(zhǎng)時(shí)間保持沉思的姿勢(shì)。
“他總是說(shuō)，F(xiàn)AST壽命有30年，相當(dāng)于使用1天國(guó)家要投入投11萬(wàn)，如因?yàn)楣ぷ魇д`，停用一天，損失11萬(wàn)。這個(gè)擔(dān)子一直壓在心上。”斯可克談道，“他為這個(gè)項(xiàng)目起名叫FAST，就是希望這個(gè)項(xiàng)目一定要快一點(diǎn)！再快一點(diǎn)！讓中國(guó)快一點(diǎn)探索宇宙！”
然而，巨型望遠(yuǎn)鏡的建造涉及天文、測(cè)量、控制、電子學(xué)、機(jī)械、結(jié)構(gòu)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，在從設(shè)計(jì)到制造到安裝，國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有任何相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒的情況下，F(xiàn)AST的建造可謂困難重重。
南仁東盯著環(huán)節(jié)中每個(gè)問(wèn)題過(guò)問(wèn)、幫助、提供建議，生怕哪兒出了錯(cuò)。
整個(gè)工程中，他既能上鋼架去擰螺絲，也能用扁鏟去削平鋼材，還能在山上打孔套絲，更能看圖、看示波器調(diào)整設(shè)備……所有人提起他都是敬佩。
2014年，F(xiàn)AST反射面單元即將吊裝，年近七旬的南仁東堅(jiān)持自己第一個(gè)上，親自進(jìn)行“小飛人”載人試驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)需要用簡(jiǎn)易裝置把人吊起來(lái)，送到6米高的試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)盤(pán)。在高空中無(wú)落腳之地，全程需手動(dòng)操作，稍有不慎，就有可能摔下來(lái)。從高空下來(lái)，南仁東的衣服被汗水浸透了，但他發(fā)現(xiàn)了試驗(yàn)中的幾個(gè)問(wèn)題。
在他的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了一次次失敗—認(rèn)識(shí)—修改—完善，不斷創(chuàng)新工程概念，在貴州喀斯特洼地內(nèi)鋪設(shè)口徑為500 米的主動(dòng)反射面球冠，通過(guò)主動(dòng)控制在觀(guān)測(cè)方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面；采用光機(jī)電一體化技術(shù)，自主提出輕型索拖動(dòng)饋源平臺(tái)和并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的高精度指向跟蹤，并將萬(wàn)噸平臺(tái)降至幾十噸！
“我們現(xiàn)場(chǎng)比較怕電磁干擾，因?yàn)槲覀兘邮盏氖呛芪⑷醯挠钪骐姶挪ㄐ盘?hào)。所以我們現(xiàn)場(chǎng)的一些信號(hào)都是用光來(lái)傳輸?shù)?。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)最開(kāi)始都是用電的，所以要把電變成光?，F(xiàn)場(chǎng)通訊需要由4000多根光纜構(gòu)成的光網(wǎng)絡(luò)。”FAST所需的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備是巨量的。面對(duì)這樣的情況，斯可克利用信息網(wǎng)絡(luò)概念，引入了分光器，成功將光電轉(zhuǎn)換設(shè)備數(shù)量減少了八分之七，極大降低望遠(yuǎn)鏡建設(shè)成本。
斯可克
2016年9月25日，F(xiàn)AST項(xiàng)目完工，南仁東終于拿下了“中國(guó)天眼”。習(xí)近平總書(shū)記在賀信上寫(xiě)到：“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。”
讓“目光”遠(yuǎn)及宇宙
如果說(shuō)主動(dòng)反射面球冠相當(dāng)于人的眼眶，那饋源艙系統(tǒng)就是眼眸，目光所及是百億萬(wàn)光年外的風(fēng)景。
如何讓“眼眸”在距離反射面板140米以上的高空按照預(yù)定軌跡移動(dòng)，精準(zhǔn)接收微弱的射電信號(hào)？輕型索拖動(dòng)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人功不可沒(méi)，前者負(fù)責(zé)方位“一次調(diào)整”，后者負(fù)責(zé)方位“二次精準(zhǔn)調(diào)整”。
2005年，還在清華精儀系攻讀研究生的姚蕊接觸到了FAST項(xiàng)目，負(fù)責(zé)饋源支撐系統(tǒng)中并聯(lián)機(jī)器人的研究。博士畢業(yè)后，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，從論證、建模、實(shí)驗(yàn)、安裝，到如今的調(diào)試維護(hù)，她讓這顆眼眸動(dòng)了起來(lái)。
“相當(dāng)于六根幾百米長(zhǎng)的柔性筷子，支撐一個(gè)可能比乒乓球還小的東西，并帶著它穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)，誤差控制在均方根10毫米。”姚蕊說(shuō)道。
姚蕊在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)
雖然并聯(lián)機(jī)器人的研究已經(jīng)有很多積累，但是如此實(shí)現(xiàn)剛?cè)峤Y(jié)合還是世界的第一例。姚蕊和FAST團(tuán)隊(duì)從零開(kāi)始，建造相似模型，反復(fù)驗(yàn)證，創(chuàng)造了獨(dú)一無(wú)二的饋源定位方式。“這是我們完全自主設(shè)計(jì)的剛?cè)峤Y(jié)合的控制。對(duì)于大尺度的一些結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)講，是非常具有指導(dǎo)意義和獨(dú)特性的。”
除了研究方面無(wú)先例可循，實(shí)際與理論的差距是姚蕊面臨的另一個(gè)困難。用她自己的話(huà)來(lái)說(shuō)，“研究是從點(diǎn)到面，而負(fù)責(zé)工程是全面、全方位”，小到技術(shù)指標(biāo)分解，大到簽訂千萬(wàn)的合同。這對(duì)當(dāng)時(shí)年僅30歲的姚蕊來(lái)說(shuō)，是壓力，更是激勵(lì)，促使她不斷學(xué)習(xí)和積累。
在這方面，姚蕊最服氣的還是南仁東。“南老師對(duì)各方面知識(shí)，包括天文、機(jī)械、力學(xué)等都有所涉獵，感覺(jué)好像沒(méi)有他不懂的。最重要的是他一直在學(xué)，一些基礎(chǔ)圖紙他都要拿來(lái)看一看。”姚蕊覺(jué)得南仁東很像“老工程師”，“有能力、有創(chuàng)新，非常認(rèn)真，甚至有點(diǎn)較真。”
在姚蕊心中，南仁東不僅僅是一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)或老師，更像一個(gè)關(guān)心自己的長(zhǎng)輩。“南老師其實(shí)是個(gè)很溫和的人，可能因?yàn)槲沂菆F(tuán)隊(duì)里為數(shù)不多的女性，感受和其他人不太一樣。雖然，我第一次在研究生的討論會(huì)上見(jiàn)南老師也覺(jué)得他很?chē)?yán)肅的。”
如今，姚蕊已經(jīng)在FAST工作了12年之余。“我的所有工作都是圍繞著它展開(kāi)，包括我的研究工作。它見(jiàn)證了我從學(xué)生時(shí)期到現(xiàn)在的成長(zhǎng)歷程。如果用個(gè)數(shù)字來(lái)衡量它在我生活和工作中的比重，應(yīng)該是百分之百。”
讓FAST成為一臺(tái)好用的望遠(yuǎn)鏡
2005年從清華本科畢業(yè)后，孫京海就來(lái)到了國(guó)家天文臺(tái)，開(kāi)始望遠(yuǎn)鏡饋源支撐系統(tǒng)的控制研究。
控制系統(tǒng)的作用實(shí)際上相當(dāng)于汽車(chē)的傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向。饋源支撐17根軸，主動(dòng)反射面2200根軸，孫京海需要在0.5秒到0.2秒內(nèi)，同時(shí)協(xié)調(diào)控制2217根軸，使其按照要求運(yùn)動(dòng)并控制每一個(gè)部件的精度，將誤差減低到亞毫米級(jí)別。工作量是其他望遠(yuǎn)鏡的上千倍，難度可想而知。
“每天都會(huì)有新問(wèn)題冒出來(lái)，然后抓緊時(shí)間去把這些所有發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題都解決掉。”這就是孫京海的日常工作狀態(tài)。從師從南仁東開(kāi)始，負(fù)責(zé)饋源支撐系統(tǒng)控制方面的研究，到工程實(shí)施階段，負(fù)責(zé)望遠(yuǎn)鏡防雷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)施，以及饋源支撐系統(tǒng)的電磁屏蔽方案的制定，再到控制系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)，孫京海的困難時(shí)時(shí)刻刻都在有，“因?yàn)檫@是從無(wú)到有的過(guò)程”。
但孫京海很少會(huì)因此郁悶崩潰。“我覺(jué)得這與個(gè)人性格和清華對(duì)我的培養(yǎng)都有關(guān)系。我喜歡去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且解決問(wèn)題。解決的過(guò)程是很有樂(lè)趣，也很有成就感的一件事。”孫京海說(shuō)，“南老師就是我很好的榜樣。他很認(rèn)真，學(xué)習(xí)能力很強(qiáng)，能迅速進(jìn)入一個(gè)新的領(lǐng)域，是個(gè)很全能的人。我覺(jué)得這也是清華人的一個(gè)特點(diǎn)——永遠(yuǎn)在學(xué)習(xí)。”
孫京海
一路走來(lái)，南仁東的探索精神和對(duì)理想的執(zhí)著深深影響著孫京海。“我一開(kāi)始進(jìn)入團(tuán)隊(duì)只是因?yàn)閷?duì)天文學(xué)科的興趣和自身專(zhuān)業(yè)的結(jié)合。但是在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，每天看著南老師廢寢忘食地努力，為了實(shí)現(xiàn)讓我們也有自己的望遠(yuǎn)鏡、有最好的望遠(yuǎn)鏡的理想，我和團(tuán)隊(duì)的成員們也深受鼓舞。”孫京海希望讓FAST成為一臺(tái)好用的望遠(yuǎn)鏡，產(chǎn)生更多的天文成果。“現(xiàn)在，雖然南老師走了，但是我們剩下的人依然朝著目標(biāo)在努力。”
無(wú)數(shù)個(gè)決定，無(wú)數(shù)個(gè)難題，南仁東帶領(lǐng)老中青三代科技工作者，克服了不可想象的困難，實(shí)現(xiàn)了由跟蹤模仿到集成創(chuàng)新的跨越。
2017年10月10日，調(diào)試中的FAST發(fā)現(xiàn)兩顆新脈沖星，這是中國(guó)第一次發(fā)現(xiàn)脈沖星，F(xiàn)AST向蒼穹睜開(kāi)了“天眼”。截止2018年8月，F(xiàn)AST已發(fā)現(xiàn)44顆脈沖星，其中18顆獲得國(guó)際認(rèn)證。
“我們很想把每個(gè)取得的成果都說(shuō)給南老師聽(tīng)，可是他已經(jīng)不在了。”孫京海和姚蕊想，他應(yīng)該化作了天上的一顆星星，飛向他熱愛(ài)的宇宙。
南仁東離開(kāi)了，但其敢為人先、堅(jiān)毅執(zhí)著的科學(xué)精神，在這里、在每一個(gè)清華人身上一直傳承著。每一天，F(xiàn)AST都很安靜，南仁東們?cè)谶@里仰望天空，默默地堅(jiān)守，探索宇宙未知的奧秘。
文 | 張靜
視頻 | 清華電視臺(tái) 方鍶 曹慶慶
圖片 | 中科院國(guó)家天文臺(tái)FAST工程團(tuán)隊(duì) 視頻截圖
插圖 | 伊麗
編輯 | 張靜
致謝 | 中科院國(guó)家天文臺(tái)FAST工程團(tuán)隊(duì) 斯可克老師
編輯：曲田
審核：周襄楠
