人間天穹 北理之光——中國第一臺大型天象儀研制紀(jì)實
發(fā)布日期：2015-09-13 供稿：宣傳部 王征 辛嘉洋 攝影：光電學(xué)院退休教師 伍少昊提供
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在首都北京,，提起動物園,，人們的腦海里呈現(xiàn)的不是大小動物，就是服裝批發(fā),，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(xiàn)宏偉天象的鎮(zhèn)館之寶當(dāng)屬其主廳中的大型天象儀,。
而就在這“巡天之地”,，從上世紀(jì)七、八十年代到新世紀(jì)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(yè)學(xué)院（現(xiàn)北京理工大學(xué)）牽頭設(shè)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(lǐng)域的空白,，其在光學(xué),、機(jī)械、控制和天文等領(lǐng)域體現(xiàn)的綜合技術(shù)水平,，成為我國光學(xué)儀器科研領(lǐng)域的標(biāo)志性成就,，也成為北京理工大學(xué)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(chuàng)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(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)、精巧的機(jī)械運動機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng),，實現(xiàn)對宇宙星空的科學(xué)直觀再現(xiàn),，可謂是世界上最復(fù)雜的大型光學(xué)儀器之一，在二十一世紀(jì)的今天也只有德、中,、美和日等少數(shù)國家具有按照需要定制生產(chǎn)的技術(shù)與能力,。
在科學(xué)技術(shù)總體還欠發(fā)的的上世紀(jì)50年代，全世界只有德國蔡司光學(xué)儀器廠具備設(shè)計制造能力,，而同樣的年代，北京工業(yè)學(xué)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(chuàng)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(xiàn)禮”就成為愛國情懷的真實表達(dá),。為了向58年國慶獻(xiàn)禮，北京工業(yè)學(xué)院各系師生也都立足專業(yè),，掀起了科技成果創(chuàng)新創(chuàng)造的高潮,。
在這個背景下，學(xué)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(xiàn)禮的目標(biāo),，并且這份“大禮”還要能體現(xiàn)學(xué)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(guān)科研人員的關(guān)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(chǎn)的蔡司天象儀,，這臺高水平的天文設(shè)備,，給京工師生留下了深刻印象?！拔覀円谟钪婵臻g占一個位置”,，這是當(dāng)時京工師生最響亮的口號，在這個昂揚的年代,，面對國慶獻(xiàn)禮任務(wù),，儀器系師生決心挑戰(zhàn)大型天象儀這個世界上最復(fù)雜的光學(xué)儀器。
目標(biāo)明確，儀器系上下滿懷強(qiáng)烈愛國熱情,，在時任系黨支部書記馬志清的帶領(lǐng)下,，由青年教師為骨干，帶領(lǐng)8531班全體應(yīng)屆畢業(yè)生以及低年級學(xué)生一百多人,，“白手起家”,，在僅有大型天象儀粗淺的直觀認(rèn)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(xué)習(xí)“運動”,。
然而，在實際研究過程中,，師生們所面臨的挑戰(zhàn)卻是不可想象的,，例如為了完成光學(xué)系統(tǒng)的大量計算，在缺乏計算設(shè)備的情況下,，只能“人海戰(zhàn)術(shù)”,，全系師生用對數(shù)表來進(jìn)行手工計算?！跋道?月1日召開‘誓師大會’,，決定研制大型天象儀向國慶獻(xiàn)禮。同學(xué)們更是豪情滿懷地打出了“踏破千重山,，闖過萬道關(guān),，立下青云志，造出人造天”的大標(biāo)語,！我們只有僅僅三個月的時間,。由于時間緊、任務(wù)重,，大家紛紛將鋪蓋搬到實驗室,，真正是廢寢忘食。有時開現(xiàn)場會議,，同志們站著就會睡著,，卻沒有一人有怨言?！?958年,，參與大型天象儀設(shè)計光電學(xué)院退休教師伍少昊回憶說。
在北京天文館支持下,，北京工業(yè)學(xué)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(jī)，并在北京天文館進(jìn)行了演示,，引起了社會各界的廣泛關(guān)注,?！爱?dāng)時民主德國大使館等一批外賓也聞訊趕來參觀，散場后認(rèn)真考察了我們的儀器,，對我們?nèi)齻€月的研究成果感到十分的震驚,。”回憶當(dāng)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(jī)雖然在研制水平上還尚顯稚嫩,，性能也未能達(dá)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(shù)體系的探索與實踐，成功填補了該領(lǐng)域空白,，實現(xiàn)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(chuàng)新
雖然1958年研制的首臺大型天象儀實現(xiàn)了對天象儀工作原理和系統(tǒng)的探索與驗證,，但性能尚達(dá)不到實際運行要求，距離國外產(chǎn)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(xù)向更高水平的發(fā)起沖擊,？同一時期，一批相同的國慶獻(xiàn)禮項目,，也因為種種原因止步,。天象儀作為一種科學(xué)演示儀器，社會應(yīng)用前景并不明朗,，研制需要的成本也著實不低,，在師生中產(chǎn)生了項目是否繼續(xù)的不同看法。
何去何從的關(guān)鍵階段,，院系領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過反復(fù)研究和討論,，統(tǒng)一了思想認(rèn)識，大型天象儀的研究開展,，不應(yīng)該完全從設(shè)備研制的角度來看待,，應(yīng)該看到其潛在價值，大型天象儀涉及儀器設(shè)備領(lǐng)域的多種技術(shù)應(yīng)用,，深入研究有利于推動整個學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展,，甚至帶動其他專業(yè)研究水平的提升。1959年,，在學(xué)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(dān)。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(xiàn)天象儀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和高精度運行作為研制目標(biāo),。
天象儀的英文名稱Planetarium直譯“行星儀”，其技術(shù)的核心就是對太陽系天體的視運動進(jìn)行模擬,，由于天體的視運動規(guī)律及其復(fù)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(dǎo)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(diào)研,，大膽探索,，創(chuàng)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,?！袄碚摲桨干系母锩詣?chuàng)新，使國產(chǎn)天象儀根本區(qū)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(chuàng)新之路”,，伍少昊介紹說,。
雖然，新設(shè)計原理的誕生令人歡欣鼓舞,，但是在技術(shù)實現(xiàn)方面,，困難依然重重，陸續(xù)研制出的三臺天象儀,，還是不能充分發(fā)揮新模擬方案的優(yōu)點,，整體技術(shù)依然沒有到達(dá)預(yù)期水平。1962年7月25日,，時任北京工業(yè)學(xué)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(fù)責(zé)人共同牽頭的工作組,，并專門調(diào)派了談天民同志擔(dān)任組長,，細(xì)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(shù)實驗,，深入剖析了德國蔡司天象儀的技術(shù)特性,，取得大量第一手資料。在豐富實踐的基礎(chǔ)上徹底解決了設(shè)計和工藝中存在的問題,，再次對天象儀的“太陽系機(jī)構(gòu)”進(jìn)行第三次全面改進(jìn)后,，終于在1965年春研制出性能相當(dāng)出色的天象儀樣機(jī),，實現(xiàn)了預(yù)期的研究目標(biāo)。
在這一階段,，在并無上級要求的情況下,，北京工業(yè)學(xué)院自己組織力量對大型天象儀進(jìn)行艱苦攻關(guān)，直接推動了儀器系在教學(xué)科研上的整體水平的提升,，同時也確立了相關(guān)領(lǐng)域在全國的領(lǐng)先地位,，天象儀“三兄弟”雖為“三胞胎，卻每一臺都有改進(jìn),、都承擔(dān)了不同的試驗任務(wù),，最后終于“修成正果”，其承前啟后的意義不同凡響,。
機(jī)會只給有準(zhǔn)備的人,，借助國家力量，打造世界領(lǐng)先水平
雖然,，1965年的天象儀達(dá)到了實際使用水平,，但是仍然是停留在實驗室中的實驗設(shè)備，始終無緣真正投入實踐,。然而，機(jī)會總是給有準(zhǔn)備的人,，1973年,，國家決定要開發(fā)能反映中國古代天文學(xué)成就的國產(chǎn)大型天象儀。環(huán)顧全國,，這個任務(wù)當(dāng)仁不讓地落在了在該領(lǐng)域擁有傲人實力的北京工業(yè)學(xué)院,。
1973年，根據(jù)國家計委,、科學(xué)院下達(dá)的任務(wù),，由北京工業(yè)學(xué)院牽頭，組織北京光學(xué)儀器廠,、北京電源設(shè)備廠和北京天文館,，開展大協(xié)作，調(diào)集全國資源,，開始了國產(chǎn)大型天象儀的會戰(zhàn),。北京工業(yè)學(xué)院在天象儀領(lǐng)域的研究實力得以充分發(fā)揮，在1965年第三輪樣機(jī)的研制基礎(chǔ)上,，又進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計,，于1976年設(shè)計制造了出具有國際領(lǐng)先水平的大型天象儀，并正式在北京天文館組裝,，應(yīng)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(jī)高5米，重3噸,，包含20多類共200多套光學(xué)系統(tǒng),，由2000多種近4萬個專用零件組成，與主機(jī)配套的還有9大附屬儀器,，由7臺電動機(jī)驅(qū)動,，能作周日，周年,，歲差,，極高，地平,，地經(jīng),，赤經(jīng)7項運動。傳動系統(tǒng)由200多個齒輪通過差動器的交互偶合,，以實現(xiàn)各種天文運動,。全部齒輪系速比都按天文數(shù)據(jù)，精確到8位以上有效數(shù)字,?！跋襁@樣復(fù)雜的系統(tǒng)不經(jīng)過幾輪扎扎實實的刻苦攻關(guān)，想僥幸讓它正常地運轉(zhuǎn)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(xué)-機(jī)械式天象儀中最高的，其許多原始創(chuàng)新之處,，還大大提高了表演效果,。值得一提的是，在文革結(jié)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(wěn)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(chǎn)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(yōu)越性,。光學(xué)泰斗王大珩在鑒定書中對大型天象儀給予高度評價,，“認(rèn)為在放映內(nèi)容上具有明顯的中國特色,，在太陽系機(jī)構(gòu)上采用與國外不同的獨特設(shè)計，消除了某些原理誤差,，是成功的,、有創(chuàng)造性的…體現(xiàn)了我國設(shè)計人員的高設(shè)計水平”。1985年,大型天象儀獲北京市科技進(jìn)步一等獎,、國家科技進(jìn)步二等獎,。
1976年至2007年，這臺大型天象儀在北京天文館連續(xù)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(jié)束 ，這臺超期服役,，勞苦功高的國產(chǎn)大型天象儀光榮退役,，北京天文館老館傳統(tǒng)天象儀表演成為絕唱，標(biāo)志著機(jī)械式天象儀正式完成了它的歷史使命,。
現(xiàn)在,，這臺由北京工業(yè)學(xué)院設(shè)計研制的國產(chǎn)大型天象儀已成為北京天文館的“鎮(zhèn)館之寶”，在天文館地下二層展廳永久保存展示,。當(dāng)你有幸看到這臺通體幽藍(lán)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(yuǎn)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(xiàn)：嚴(yán)沛然，伍少昊：《中國的天象儀》）
