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)
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
編輯：新聞中心 辛嘉洋 審核： 包麗穎 閱讀次數(shù)：
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(huà)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(wàn)人展示宇宙萬(wàn)象的是一道來(lái)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(guò)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(guān)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(chǎng)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(ài)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(zhuān)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(hù)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?！拔覀円谟钪婵臻g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(mǎn)懷強(qiáng)烈愛(ài)國(guó)熱情,，在時(shí)任系黨支部書(shū)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(guān)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(kāi)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(guò)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(lái)進(jìn)行手工計(jì)算?！跋道?月1日召開(kāi)‘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(mǎn)懷地打出了“踏破千重山,，闖過(guò)萬(wàn)道關(guān),，立下青云志，造出人造天”的大標(biāo)語(yǔ),！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(kāi)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)議,，同志們站著就會(huì)睡著,，卻沒(méi)有一人有怨言?！?958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(shuō)。
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(lái)參觀(guān),，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?！被貞洰?dāng)時(shí)的場(chǎng)景,，伍少昊依然歷歷在目,。1959年1月《人民畫(huà)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(wú)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(wèn)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(guò)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(kāi)展,，不應(yīng)該完全從設(shè)備研制的角度來(lái)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(zhuān)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(chǎng)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(kāi)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(chēng)Planetarium直譯“行星儀”,，其技術(shù)的核心就是對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(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(shù)一幟,。但這也就意味著我們的研制工作無(wú)可仿制,，從一開(kāi)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(shuō),。
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(méi)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(kāi)了專(zhuān)門(mén)會(huì)議，成立了由院工廠(chǎng)和儀器系主要負(fù)責(zé)人共同牽頭的工作組,，并專(zhuān)門(mén)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(wèn)題。首先集中力量開(kāi)展一系列專(zhuān)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(wèn)題,，再次對(duì)天象儀的“太陽(yáng)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(wú)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(wú)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(kāi)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(chǎng),、北京電源設(shè)備廠(chǎng)和北京天文館,，開(kāi)展大協(xié)作，調(diào)集全國(guó)資源,，開(kāi)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(lèi)共200多套光學(xué)系統(tǒng)，由2000多種近4萬(wàn)個(gè)專(zhuān)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(guò)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,?！跋襁@樣復(fù)雜的系統(tǒng)不經(jīng)過(guò)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(lái)是不可能的”伍少昊在談及1976年天象儀的時(shí)候如是說(shuō),。
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(shū)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(yáng)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(wàn)觀(guān)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(huà)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》）
