校史網(wǎng)

　　在首都北京，提起動(dòng)物園，人們的腦海里呈現(xiàn)的不是大小動(dòng)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(guó)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(shí)間里，為全國(guó)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(jì)制造的中國(guó)第一臺(tái)大型天象儀。這臺(tái)飽含著京工人心血，集全國(guó)之力制造的大型天象儀，不僅填補(bǔ)了我國(guó)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(guó)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(guó)第一”系列科技成果之一。

“我們要在宇宙空間占一個(gè)位置”，100天創(chuàng)造“中國(guó)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guó)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(guó)蔡司光學(xué)儀器廠具備設(shè)計(jì)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(shí)間，獨(dú)立研制出了新中國(guó)第一臺(tái)大型天象儀，創(chuàng)造了一個(gè)中國(guó)科技史上的奇跡。

　　將時(shí)間拉回到1958年，社會(huì)的全新面貌，感動(dòng)著全體中國(guó)人，于是每逢國(guó)慶，“向國(guó)慶獻(xiàn)禮”就成為愛國(guó)情懷的真實(shí)表達(dá)。為了向58年國(guó)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(gè)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(guó)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(shí)力，最終，他們將目光鎖定“大型天象儀”。

　　選擇這個(gè)項(xiàng)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(dòng)，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(tái)東德生產(chǎn)的蔡司天象儀，這臺(tái)高水平的天文設(shè)備，給京工師生留下了深刻印象。“我們要在宇宙空間占一個(gè)位置”，這是當(dāng)時(shí)京工師生最響亮的口號(hào)，在這個(gè)昂揚(yáng)的年代，面對(duì)國(guó)慶獻(xiàn)禮任務(wù)，儀器系師生決心挑戰(zhàn)大型天象儀這個(gè)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(guó)熱情，在時(shí)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(jí)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(shí)的情況下，從天文基本知識(shí)和天象儀的基本原理入手，展開了一場(chǎng)轟轟烈烈的大科研和大學(xué)習(xí)“運(yùn)動(dòng)”。

　　然而，在實(shí)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(jì)算，在缺乏計(jì)算設(shè)備的情況下，只能“人海戰(zhàn)術(shù)”，全系師生用對(duì)數(shù)表來進(jìn)行手工計(jì)算。“系里7月1日召開‘誓師大會(huì)’，決定研制大型天象儀向國(guó)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(gè)月的時(shí)間。由于時(shí)間緊、任務(wù)重，大家紛紛將鋪蓋搬到實(shí)驗(yàn)室，真正是廢寢忘食。有時(shí)開現(xiàn)場(chǎng)會(huì)議，同志們站著就會(huì)睡著，卻沒有一人有怨言。”1958年，參與大型天象儀設(shè)計(jì)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(gè)月成功研制出新中國(guó)第一臺(tái)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(huì)各界的廣泛關(guān)注。“當(dāng)時(shí)民主德國(guó)大使館等一批外賓也聞?dòng)嵹s來參觀，散場(chǎng)后認(rèn)真考察了我們的儀器，對(duì)我們?nèi)齻€(gè)月的研究成果感到十分的震驚。”回憶當(dāng)時(shí)的場(chǎng)景，伍少昊依然歷歷在目。1959年1月《人民畫報(bào)》還將“大型天象儀”作為新年首期的封面。1958年的首臺(tái)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(shí)際使用要求，但卻是中國(guó)人獨(dú)立自主的完成了對(duì)大型天象儀整套技術(shù)體系的探索與實(shí)踐，成功填補(bǔ)了該領(lǐng)域空白，實(shí)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(tái)大型天象儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)天象儀工作原理和系統(tǒng)的探索與驗(yàn)證，但性能尚達(dá)不到實(shí)際運(yùn)行要求，距離國(guó)外產(chǎn)品差距更是十分巨大。此時(shí)，一個(gè)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(shí)期，一批相同的國(guó)慶獻(xiàn)禮項(xiàng)目，也因?yàn)榉N種原因止步。天象儀作為一種科學(xué)演示儀器，社會(huì)應(yīng)用前景并不明朗，研制需要的成本也著實(shí)不低，在師生中產(chǎn)生了項(xiàng)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(shí)，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(jià)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(dòng)整個(gè)學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展，甚至帶動(dòng)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(xiàng)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(tái)大型天象儀的研制計(jì)劃，隨即拉開了六十年代天象儀“三兄弟”的研制大幕，并將實(shí)現(xiàn)天象儀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和高精度運(yùn)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(duì)太陽系天體的視運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，由于天體的視運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其復(fù)雜，尤其是月亮受到的攝動(dòng)干擾很多。國(guó)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(yùn)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(chuàng)新，使國(guó)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(dú)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(dú)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(jì)原理的誕生令人歡欣鼓舞，但是在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，困難依然重重，陸續(xù)研制出的三臺(tái)天象儀，還是不能充分發(fā)揮新模擬方案的優(yōu)點(diǎn)，整體技術(shù)依然沒有到達(dá)預(yù)期水平。1962年7月25日，時(shí)任北京工業(yè)學(xué)院院長(zhǎng)的魏思文中將，親自召開了專門會(huì)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(zhǎng)，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(xiàng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)，深入剖析了德國(guó)蔡司天象儀的技術(shù)特性，取得大量第一手資料。在豐富實(shí)踐的基礎(chǔ)上徹底解決了設(shè)計(jì)和工藝中存在的問題，再次對(duì)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(shí)現(xiàn)了預(yù)期的研究目標(biāo)。

　　在這一階段，在并無上級(jí)要求的情況下，北京工業(yè)學(xué)院自己組織力量對(duì)大型天象儀進(jìn)行艱苦攻關(guān)，直接推動(dòng)了儀器系在教學(xué)科研上的整體水平的提升，同時(shí)也確立了相關(guān)領(lǐng)域在全國(guó)的領(lǐng)先地位，天象儀“三兄弟”雖為“三胞胎，卻每一臺(tái)都有改進(jìn)、都承擔(dān)了不同的試驗(yàn)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(huì)只給有準(zhǔn)備的人，借助國(guó)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(shí)際使用水平，但是仍然是停留在實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，始終無緣真正投入實(shí)踐。然而，機(jī)會(huì)總是給有準(zhǔn)備的人，1973年，國(guó)家決定要開發(fā)能反映中國(guó)古代天文學(xué)成就的國(guó)產(chǎn)大型天象儀。環(huán)顧全國(guó)，這個(gè)任務(wù)當(dāng)仁不讓地落在了在該領(lǐng)域擁有傲人實(shí)力的北京工業(yè)學(xué)院。

　　1973年，根據(jù)國(guó)家計(jì)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(guó)資源，開始了國(guó)產(chǎn)大型天象儀的會(huì)戰(zhàn)。北京工業(yè)學(xué)院在天象儀領(lǐng)域的研究實(shí)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(jì)，于1976年設(shè)計(jì)制造了出具有國(guó)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(shí)際演示。這臺(tái)天象儀也是新中國(guó)第一臺(tái)正式實(shí)際投入使用的大型天象儀。

　　這臺(tái)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(gè)專用零件組成，與主機(jī)配套的還有9大附屬儀器，由7臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，能作周日，周年，歲差，極高，地平，地經(jīng)，赤經(jīng)7項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)由200多個(gè)齒輪通過差動(dòng)器的交互偶合，以實(shí)現(xiàn)各種天文運(yùn)動(dòng)。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。“像這樣復(fù)雜的系統(tǒng)不經(jīng)過幾輪扎扎實(shí)實(shí)的刻苦攻關(guān)，想僥幸讓它正常地運(yùn)轉(zhuǎn)起來是不可能的”伍少昊在談及1976年天象儀的時(shí)候如是說。

　　迄今為止，這臺(tái)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(yùn)行，才得以避免。1984年7月，在北京市科委組織的鑒定會(huì)上，實(shí)測(cè)了從1900-2000共100年間的天體運(yùn)行精度，國(guó)產(chǎn)天象儀日、月、行星的實(shí)際誤差，全部小于國(guó)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(duì)大型天象儀給予高度評(píng)價(jià)，“認(rèn)為在放映內(nèi)容上具有明顯的中國(guó)特色，在太陽系機(jī)構(gòu)上采用與國(guó)外不同的獨(dú)特設(shè)計(jì)，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(guó)設(shè)計(jì)人員的高設(shè)計(jì)水平”。1985年,大型天象儀獲北京市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

　　1976年至2007年，這臺(tái)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(diǎn)，隨著天象廳恐龍滅絕、天體碰撞最后一個(gè)鏡頭結(jié)束，這臺(tái)超期服役，勞苦功高的國(guó)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(tái)由北京工業(yè)學(xué)院設(shè)計(jì)研制的國(guó)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(tái)通體幽藍(lán)的“中國(guó)第一臺(tái)大型天象儀”時(shí)，請(qǐng)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(guó)的天象儀》）

人間天穹 北理之光——中國(guó)第一臺(tái)大型天象儀研制紀(jì)實(shí)

人間天穹北理之光——中國(guó)第一臺(tái)大型天象儀研制紀(jì)實(shí)