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      人間天穹 北理之光——中國第一臺大型天象儀研制紀實


        在首都北京,提起動物園,人們的腦海里呈現的不是大小動物,就是服裝批發,但就在人流終日熙熙攘攘之地,還座落著一處可以仰望星空的所在——北京天文館,在這座建成于1957年,至今仍是中國唯一天文館中,刻畫宇宙,展現宏偉天象的鎮館之寶當屬其主廳中的大型天象儀。

        而就在這“巡天之地”,從上世紀七、八十年代到新世紀初,在31年的時間里,為全國兩千萬人展示宇宙萬象的是一道來自北理工的璀璨之光,這就有北京工業學院(現北京理工大學)牽頭設計制造的中國第一臺大型天象儀。這臺飽含著京工人心血,集全國之力制造的大型天象儀,不僅填補了我國在這一領域的空白,其在光學、機械、控制和天文等領域體現的綜合技術水平,成為我國光學儀器科研領域的標志性成就,也成為北京理工大學歷史上耀眼的“新中國第一”系列科技成果之一。

      “我們要在宇宙空間占一個位置”,100天創造“中國第一”

        大型天象儀是用于演示人造星空的天文儀器,通過紛繁復雜光學系統、精巧的機械運動機構和電氣控制系統,實現對宇宙星空的科學直觀再現,可謂是世界上最復雜的大型光學儀器之一,在二十一世紀的今天也只有德、中、美和日等少數國家具有按照需要定制生產的技術與能力。

        在科學技術總體還欠發的的上世紀50年代,全世界只有德國蔡司光學儀器廠具備設計制造能力,而同樣的年代,北京工業學院儀器系的師生們卻用100天的時間,獨立研制出了新中國第一臺大型天象儀,創造了一個中國科技史上的奇跡。

        將時間拉回到1958年,社會的全新面貌,感動著全體中國人,于是每逢國慶,“向國慶獻禮”就成為愛國情懷的真實表達。為了向58年國慶獻禮,北京工業學院各系師生也都立足專業,掀起了科技成果創新創造的高潮。

        在這個背景下,學校儀器系的師生也在思索用什么樣的科研成果,才能完成向國慶獻禮的目標,并且這份“大禮”還要能體現學校儀器方面的研究實力,最終,他們將目光鎖定“大型天象儀”。

        選擇這個項目也并非偶然,1957年,北京天文館落成,足不出戶就能辨析宇宙星空,不僅在普通百姓中引起轟動,也吸引了相關科研人員的關注。天文館的核心就是大型天象儀,北京天文館裝備了一臺東德生產的蔡司天象儀,這臺高水平的天文設備,給京工師生留下了深刻印象。“我們要在宇宙空間占一個位置”,這是當時京工師生最響亮的口號,在這個昂揚的年代,面對國慶獻禮任務,儀器系師生決心挑戰大型天象儀這個世界上最復雜的光學儀器。

        目標明確,儀器系上下滿懷強烈愛國熱情,在時任系黨支部書記馬志清的帶領下,由青年教師為骨干,帶領8531班全體應屆畢業生以及低年級學生一百多人,“白手起家”,在僅有大型天象儀粗淺的直觀認識的情況下,從天文基本知識和天象儀的基本原理入手,展開了一場轟轟烈烈的大科研和大學習“運動”。

        然而,在實際研究過程中,師生們所面臨的挑戰卻是不可想象的,例如為了完成光學系統的大量計算,在缺乏計算設備的情況下,只能“人海戰術”,全系師生用對數表來進行手工計算。“系里7月1日召開‘誓師大會’,決定研制大型天象儀向國慶獻禮。同學們更是豪情滿懷地打出了“踏破千重山,闖過萬道關,立下青云志,造出人造天”的大標語!我們只有僅僅三個月的時間。由于時間緊、任務重,大家紛紛將鋪蓋搬到實驗室,真正是廢寢忘食。有時開現場會議,同志們站著就會睡著,卻沒有一人有怨言。”1958年,參與大型天象儀設計光電學院退休教師伍少昊回憶說。

        在北京天文館支持下,北京工業學院儀器系師生從1958年7月到1958年10月,用三個月成功研制出新中國第一臺大型天象儀原理樣機,并在北京天文館進行了演示,引起了社會各界的廣泛關注。“當時民主德國大使館等一批外賓也聞訊趕來參觀,散場后認真考察了我們的儀器,對我們三個月的研究成果感到十分的震驚。”回憶當時的場景,伍少昊依然歷歷在目。1959年1月《人民畫報》還將“大型天象儀”作為新年首期的封面。1958年的首臺大型天象儀原理樣機雖然在研制水平上還尚顯稚嫩,性能也未能達到實際使用要求,但卻是中國人獨立自主的完成了對大型天象儀整套技術體系的探索與實踐,成功填補了該領域空白,實現了從無到有的歷史突破。


      天象儀“三兄弟”,從“日心”到“地心”的原始創新

        雖然1958年研制的首臺大型天象儀實現了對天象儀工作原理和系統的探索與驗證,但性能尚達不到實際運行要求,距離國外產品差距更是十分巨大。此時,一個問題擺在了儀器系師生的面前,大型天象儀研制是就此止步,還是繼續向更高水平的發起沖擊?同一時期,一批相同的國慶獻禮項目,也因為種種原因止步。天象儀作為一種科學演示儀器,社會應用前景并不明朗,研制需要的成本也著實不低,在師生中產生了項目是否繼續的不同看法。

        何去何從的關鍵階段,院系領導經過反復研究和討論,統一了思想認識,大型天象儀的研究開展,不應該完全從設備研制的角度來看待,應該看到其潛在價值,大型天象儀涉及儀器設備領域的多種技術應用,深入研究有利于推動整個學科的建設與發展,甚至帶動其他專業研究水平的提升。1959年,在學院的有力支持下,將天象儀項目改由院工廠和儀器系共同承擔。并制定了第二階段三臺大型天象儀的研制計劃,隨即拉開了六十年代天象儀“三兄弟”的研制大幕,并將實現天象儀的結構優化和高精度運行作為研制目標。

        天象儀的英文名稱Planetarium直譯“行星儀”,其技術的核心就是對太陽系天體的視運動進行模擬,由于天體的視運動規律及其復雜,尤其是月亮受到的攝動干擾很多。國外所有天象儀采用的“日心模擬”方案精度不高,導致太陽系天體存在1度到6度不等的原理誤差。圍繞提高模擬精度,儀器系師生廣泛調研,大膽探索,創造出天象儀運行的“太陽系地心模擬方案”,使得研制工作取得重大突破。“理論方案上的革命性創新,使國產天象儀根本區別于世界上一切采用‘日心’模擬方案的天象儀而獨樹一幟。但這也就意味著我們的研制工作無可仿制,從一開始就只能走獨立自主、自力更生的創新之路”,伍少昊介紹說。

        雖然,新設計原理的誕生令人歡欣鼓舞,但是在技術實現方面,困難依然重重,陸續研制出的三臺天象儀,還是不能充分發揮新模擬方案的優點,整體技術依然沒有到達預期水平。1962年7月25日,時任北京工業學院院長的魏思文中將,親自召開了專門會議,成立了由院工廠和儀器系主要負責人共同牽頭的工作組,并專門調派了談天民同志擔任組長,細致地梳理了研制工作中的各種問題。首先集中力量開展一系列專項技術實驗,深入剖析了德國蔡司天象儀的技術特性,取得大量第一手資料。在豐富實踐的基礎上徹底解決了設計和工藝中存在的問題,再次對天象儀的“太陽系機構”進行第三次全面改進后,終于在1965年春研制出性能相當出色的天象儀樣機,實現了預期的研究目標。

        在這一階段,在并無上級要求的情況下,北京工業學院自己組織力量對大型天象儀進行艱苦攻關,直接推動了儀器系在教學科研上的整體水平的提升,同時也確立了相關領域在全國的領先地位,天象儀“三兄弟”雖為“三胞胎,卻每一臺都有改進、都承擔了不同的試驗任務,最后終于“修成正果”,其承前啟后的意義不同凡響。


      機會只給有準備的人,借助國家力量,打造世界領先水平

        雖然,1965年的天象儀達到了實際使用水平,但是仍然是停留在實驗室中的實驗設備,始終無緣真正投入實踐。然而,機會總是給有準備的人,1973年,國家決定要開發能反映中國古代天文學成就的國產大型天象儀。環顧全國,這個任務當仁不讓地落在了在該領域擁有傲人實力的北京工業學院。

        1973年,根據國家計委、科學院下達的任務,由北京工業學院牽頭,組織北京光學儀器廠、北京電源設備廠和北京天文館,開展大協作,調集全國資源,開始了國產大型天象儀的會戰。北京工業學院在天象儀領域的研究實力得以充分發揮,在1965年第三輪樣機的研制基礎上,又進行了創新設計,于1976年設計制造了出具有國際領先水平的大型天象儀,并正式在北京天文館組裝,應用實際演示。這臺天象儀也是新中國第一臺正式實際投入使用的大型天象儀。

        這臺大型天象儀主機高5米,重3噸,包含20多類共200多套光學系統,由2000多種近4萬個專用零件組成,與主機配套的還有9大附屬儀器,由7臺電動機驅動,能作周日,周年,歲差,極高,地平,地經,赤經7項運動。傳動系統由200多個齒輪通過差動器的交互偶合,以實現各種天文運動。全部齒輪系速比都按天文數據,精確到8位以上有效數字。“像這樣復雜的系統不經過幾輪扎扎實實的刻苦攻關,想僥幸讓它正常地運轉起來是不可能的”伍少昊在談及1976年天象儀的時候如是說。

        迄今為止,這臺天象儀的精度依然是所有光學-機械式天象儀中最高的,其許多原始創新之處,還大大提高了表演效果。值得一提的是,在文革結束之后,八年間,因政治出身撤換之聲不絕,正是憑借八年出色穩定的運行,才得以避免。1984年7月,在北京市科委組織的鑒定會上,實測了從1900-2000共100年間的天體運行精度,國產天象儀日、月、行星的實際誤差,全部小于國外天象儀的原理誤差,凸顯了“地心布局”的優越性。光學泰斗王大珩在鑒定書中對大型天象儀給予高度評價,“認為在放映內容上具有明顯的中國特色,在太陽系機構上采用與國外不同的獨特設計,消除了某些原理誤差,是成功的、有創造性的…體現了我國設計人員的高設計水平”。1985年,大型天象儀獲北京市科技進步一等獎、國家科技進步二等獎。

        1976年至2007年,這臺大型天象儀在北京天文館連續服役31年,接待了2000多萬觀眾,成為幾代人的集體記憶。

        2007年11月5日下午3點,隨著天象廳恐龍滅絕、天體碰撞最后一個鏡頭結束 ,這臺超期服役,勞苦功高的國產大型天象儀光榮退役,北京天文館老館傳統天象儀表演成為絕唱,標志著機械式天象儀正式完成了它的歷史使命。

        現在,這臺由北京工業學院設計研制的國產大型天象儀已成為北京天文館的“鎮館之寶”,在天文館地下二層展廳永久保存展示。當你有幸看到這臺通體幽藍的“中國第一臺大型天象儀”時,請不要忘記它“MADE IN BIT”的北理品格,永遠承載著那段輝煌而難忘的“京工歲月”。

        那道光,刻畫宇宙,星光璀璨!
       


      (文章部分資料參考文獻:嚴沛然,伍少昊:《中國的天象儀》)