北理故事

人间天穹 北理之光


  在首都北京,提起动物园,人们的脑海里呈现的不是大小动物,就是服装批发,但就在人流终日熙熙攘攘之地,还座落着一处可以仰望星空的所在——北京天文馆,在这座建成于1957年,至今仍是中国唯一天文馆中,刻画宇宙,展现宏伟天象的镇馆之宝当属其主厅中的大型天象仪。

  而就在这“巡天之地”,从上世纪七、八十年代到新世纪初,在31年的时间里,为全国两千万人展示宇宙万象的是一道来自北理工的璀璨之光,这就有北京工业学院(现北京理工大学)牵头设计制造的中国第一台大型天象仪。这台饱含着京工人心血,集全国之力制造的大型天象仪,不仅填补了我国在这一领域的空白,其在光学、机械、控制和天文等领域体现的综合技术水平,成为我国光学仪器科研领域的标志性成就,也成为北京理工大学历史上耀眼的“新中国第一”系列科技成果之一。

“我们要在宇宙空间占一个位置”,100天创造“中国第一”

  大型天象仪是用于演示人造星空的天文仪器,通过纷繁复杂光学系统、精巧的机械运动机构和电气控制系统,实现对宇宙星空的科学直观再现,可谓是世界上最复杂的大型光学仪器之一,在二十一世纪的今天也只有德、中、美和日等少数国家具有按照需要定制生产的技术与能力。

  在科学技术总体还欠发的的上世纪50年代,全世界只有德国蔡司光学仪器厂具备设计制造能力,而同样的年代,北京工业学院仪器系的师生们却用100天的时间,独立研制出了新中国第一台大型天象仪,创造了一个中国科技史上的奇迹。

  将时间拉回到1958年,社会的全新面貌,感动着全体中国人,于是每逢国庆,“向国庆献礼”就成为爱国情怀的真实表达。为了向58年国庆献礼,北京工业学院各系师生也都立足专业,掀起了科技成果创新创造的高潮。

  在这个背景下,学校仪器系的师生也在思索用什么样的科研成果,才能完成向国庆献礼的目标,并且这份“大礼”还要能体现学校仪器方面的研究实力,最终,他们将目光锁定“大型天象仪”。

  选择这个项目也并非偶然,1957年,北京天文馆落成,足不出户就能辨析宇宙星空,不仅在普通百姓中引起轰动,也吸引了相关科研人员的关注。天文馆的核心就是大型天象仪,北京天文馆装备了一台东德生产的蔡司天象仪,这台高水平的天文设备,给京工师生留下了深刻印象。“我们要在宇宙空间占一个位置”,这是当时京工师生最响亮的口号,在这个昂扬的年代,面对国庆献礼任务,仪器系师生决心挑战大型天象仪这个世界上最复杂的光学仪器。

  目标明确,仪器系上下满怀强烈爱国热情,在时任系党支部书记马志清的带领下,由青年教师为骨干,带领8531班全体应届毕业生以及低年级学生一百多人,“白手起家”,在仅有大型天象仪粗浅的直观认识的情况下,从天文基本知识和天象仪的基本原理入手,展开了一场轰轰烈烈的大科研和大学习“运动”。

  然而,在实际研究过程中,师生们所面临的挑战却是不可想象的,例如为了完成光学系统的大量计算,在缺乏计算设备的情况下,只能“人海战术”,全系师生用对数表来进行手工计算。“系里7月1日召开‘誓师大会’,决定研制大型天象仪向国庆献礼。同学们更是豪情满怀地打出了“踏破千重山,闯过万道关,立下青云志,造出人造天”的大标语!我们只有仅仅三个月的时间。由于时间紧、任务重,大家纷纷将铺盖搬到实验室,真正是废寝忘食。有时开现场会议,同志们站着就会睡着,却没有一人有怨言。”1958年,参与大型天象仪设计光电学院退休教师伍少昊回忆说。

  在北京天文馆支持下,北京工业学院仪器系师生从1958年7月到1958年10月,用三个月成功研制出新中国第一台大型天象仪原理样机,并在北京天文馆进行了演示,引起了社会各界的广泛关注。“当时民主德国大使馆等一批外宾也闻讯赶来参观,散场后认真考察了我们的仪器,对我们三个月的研究成果感到十分的震惊。”回忆当时的场景,伍少昊依然历历在目。1959年1月《人民画报》还将“大型天象仪”作为新年首期的封面。1958年的首台大型天象仪原理样机虽然在研制水平上还尚显稚嫩,性能也未能达到实际使用要求,但却是中国人独立自主的完成了对大型天象仪整套技术体系的探索与实践,成功填补了该领域空白,实现了从无到有的历史突破。


天象仪“三兄弟”,从“日心”到“地心”的原始创新

  虽然1958年研制的首台大型天象仪实现了对天象仪工作原理和系统的探索与验证,但性能尚达不到实际运行要求,距离国外产品差距更是十分巨大。此时,一个问题摆在了仪器系师生的面前,大型天象仪研制是就此止步,还是继续向更高水平的发起冲击?同一时期,一批相同的国庆献礼项目,也因为种种原因止步。天象仪作为一种科学演示仪器,社会应用前景并不明朗,研制需要的成本也着实不低,在师生中产生了项目是否继续的不同看法。

  何去何从的关键阶段,院系领导经过反复研究和讨论,统一了思想认识,大型天象仪的研究开展,不应该完全从设备研制的角度来看待,应该看到其潜在价值,大型天象仪涉及仪器设备领域的多种技术应用,深入研究有利于推动整个学科的建设与发展,甚至带动其他专业研究水平的提升。1959年,在学院的有力支持下,将天象仪项目改由院工厂和仪器系共同承担。并制定了第二阶段三台大型天象仪的研制计划,随即拉开了六十年代天象仪“三兄弟”的研制大幕,并将实现天象仪的结构优化和高精度运行作为研制目标。

  天象仪的英文名称Planetarium直译“行星仪”,其技术的核心就是对太阳系天体的视运动进行模拟,由于天体的视运动规律及其复杂,尤其是月亮受到的摄动干扰很多。国外所有天象仪采用的“日心模拟”方案精度不高,导致太阳系天体存在1度到6度不等的原理误差。围绕提高模拟精度,仪器系师生广泛调研,大胆探索,创造出天象仪运行的“太阳系地心模拟方案”,使得研制工作取得重大突破。“理论方案上的革命性创新,使国产天象仪根本区别于世界上一切采用‘日心’模拟方案的天象仪而独树一帜。但这也就意味着我们的研制工作无可仿制,从一开始就只能走独立自主、自力更生的创新之路”,伍少昊介绍说。

  虽然,新设计原理的诞生令人欢欣鼓舞,但是在技术实现方面,困难依然重重,陆续研制出的三台天象仪,还是不能充分发挥新模拟方案的优点,整体技术依然没有到达预期水平。1962年7月25日,时任北京工业学院院长的魏思文中将,亲自召开了专门会议,成立了由院工厂和仪器系主要负责人共同牵头的工作组,并专门调派了谈天民同志担任组长,细致地梳理了研制工作中的各种问题。首先集中力量开展一系列专项技术实验,深入剖析了德国蔡司天象仪的技术特性,取得大量第一手资料。在丰富实践的基础上彻底解决了设计和工艺中存在的问题,再次对天象仪的“太阳系机构”进行第三次全面改进后,终于在1965年春研制出性能相当出色的天象仪样机,实现了预期的研究目标。

  在这一阶段,在并无上级要求的情况下,北京工业学院自己组织力量对大型天象仪进行艰苦攻关,直接推动了仪器系在教学科研上的整体水平的提升,同时也确立了相关领域在全国的领先地位,天象仪“三兄弟”虽为“三胞胎,却每一台都有改进、都承担了不同的试验任务,最后终于“修成正果”,其承前启后的意义不同凡响。


机会只给有准备的人,借助国家力量,打造世界领先水平

  虽然,1965年的天象仪达到了实际使用水平,但是仍然是停留在实验室中的实验设备,始终无缘真正投入实践。然而,机会总是给有准备的人,1973年,国家决定要开发能反映中国古代天文学成就的国产大型天象仪。环顾全国,这个任务当仁不让地落在了在该领域拥有傲人实力的北京工业学院。

  1973年,根据国家计委、科学院下达的任务,由北京工业学院牵头,组织北京光学仪器厂、北京电源设备厂和北京天文馆,开展大协作,调集全国资源,开始了国产大型天象仪的会战。北京工业学院在天象仪领域的研究实力得以充分发挥,在1965年第三轮样机的研制基础上,又进行了创新设计,于1976年设计制造了出具有国际领先水平的大型天象仪,并正式在北京天文馆组装,应用实际演示。这台天象仪也是新中国第一台正式实际投入使用的大型天象仪。

  这台大型天象仪主机高5米,重3吨,包含20多类共200多套光学系统,由2000多种近4万个专用零件组成,与主机配套的还有9大附属仪器,由7台电动机驱动,能作周日,周年,岁差,极高,地平,地经,赤经7项运动。传动系统由200多个齿轮通过差动器的交互偶合,以实现各种天文运动。全部齿轮系速比都按天文数据,精确到8位以上有效数字。“像这样复杂的系统不经过几轮扎扎实实的刻苦攻关,想侥幸让它正常地运转起来是不可能的”伍少昊在谈及1976年天象仪的时候如是说。

  迄今为止,这台天象仪的精度依然是所有光学-机械式天象仪中最高的,其许多原始创新之处,还大大提高了表演效果。值得一提的是,在文革结束之后,八年间,因政治出身撤换之声不绝,正是凭借八年出色稳定的运行,才得以避免。1984年7月,在北京市科委组织的鉴定会上,实测了从1900-2000共100年间的天体运行精度,国产天象仪日、月、行星的实际误差,全部小于国外天象仪的原理误差,凸显了“地心布局”的优越性。光学泰斗王大珩在鉴定书中对大型天象仪给予高度评价,“认为在放映内容上具有明显的中国特色,在太阳系机构上采用与国外不同的独特设计,消除了某些原理误差,是成功的、有创造性的…体现了我国设计人员的高设计水平”。1985年,大型天象仪获北京市科技进步一等奖、国家科技进步二等奖。

  1976年至2007年,这台大型天象仪在北京天文馆连续服役31年,接待了2000多万观众,成为一代人的集体记忆。

  2007年11月5日下午3点,随着天象厅恐龙灭绝、天体碰撞最后一个镜头结束 ,这台超期服役,劳苦功高的国产大型天象仪光荣退役,北京天文馆老馆传统天象仪表演成为绝唱,标志着机械式天象仪正式完成了它的历史使命。

  现在,这台由北京工业学院设计研制的国产大型天象仪已成为北京天文馆的“镇馆之宝”,在天文馆地下二层展厅永久保存展示。当你有幸看到这台通体幽蓝的“中国第一台大型天象仪”时,请不要忘记它“MADE IN BIT”的北理品格,永远承载着那段辉煌而难忘的“京工岁月”。

  那道光,刻画宇宙,星光璀璨!
 


(文章部分资料参考文献:严沛然,伍少昊:《中国的天象仪》)

发表时间:2017-07-15 供稿: 宣传部 王征 辛嘉洋
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