「天眼之父」南仁東:夢想與堅守

「天眼之父」南仁東：夢想與堅守

2017-10-12 12:16 作者：吳麗瑋來源：三聯生活周刊 2017年第41期

一個充滿想像力的科學家和他23年守望夢想的故事。

天文學家的想像力

9月15日，72歲的南仁東在美國治療肺癌時去世。「他說，如果有一天他真的不行了，他就躲得遠遠的，不讓我們看見他。」FAST工程調試組組長姜鵬回憶說，這可能就是南仁東的性格，希望保持著最有尊嚴的形象。

群山之中的FAST工程（攝於2016年9月24日）

 

姜鵬來天文臺面試的時候，並不知道南仁東是誰，「只是感覺到他強大的氣場，一看就是『頭兒』，甚至有點像『土匪頭兒』」。從上世紀90年代開始籌劃FAST項目時，南仁東就一直留著一撮小鬍子，過了20多年，頭髮和小鬍子都已變得花白。在工地上他隨意地穿著大汗衫，鼻梁上架著近視鏡和老花鏡，回北京又變回了時髦老人，有時候回到校園給研究生上課，他會穿花襯衫和牛仔褲，有一次還穿了條很潮的皮褲。「出國參加學術會議也很注重形象，要帶一箱子衣服去。」FAST工程辦公室副主任張海燕說。

南仁東是1963年吉林省的高考理科狀元，考入清華大學無線電系，「文革」之後，在北京天文臺讀天體物理的研究生。他是一個愛好藝術和哲學的科學家，尤其喜歡畫畫，在日本國立天文臺訪學期間，創作了一幅油畫《富士山》，至今仍掛在該校教學樓的大廳裡。「有一次我問他，為什麼反射面周圍的六座百米支撐塔要等間距排布，打亂排不是能減少很多工作量嗎？結果他就一句話，『那樣不好看』。別看他忙，但做PPT特別講究，有一次開完會其他單位的人問我，你們是請專人幫忙設計PPT嗎，怎麼版式那麼好看？其實都是南老自己做的。」FAST工程副經理張蜀新向本刊回憶道。

「也許是因為喜歡藝術，他和一般科學家不太一樣，想法不受拘束，很有想像力，經常會冒出很多創新點出來。」FAST工程接收機與終端系統高級工程師甘恆謙對本刊記者說。

數千塊單元組成的球面主動反射面技術是由南仁東主導的FAST最大創新點之一。主動反射面技術在以往的射電望遠鏡中雖已有應用，但都用在小範圍的改變上，目的是通過改變單元反射面的位置來保持整個反射面的拋面形狀，而FAST的反射面要進行大範圍的運動，每一個單元反射面的作用是要將球面改成拋物面，通過主動的變形實現對天體跟蹤式的觀測。而要實現這種跟蹤觀測，對反射面上空的饋源艙定位精度要求很高。目前規模世界第二的美國阿雷西博射電望遠鏡球面口徑為305米，由100米高的三座鐵塔支撐著一個重達500噸的三角形平臺和可移動饋源臂，以及下方懸掛著的重75噸的圓屋組成饋源艙，「305米口徑的望遠鏡，這個平臺的長度大概在百米量級，如果我們500米口徑的望遠鏡仍然採用這種結構，平臺長度至少要達到250米，這個不太現實。」甘恆謙介紹說，FAST的饋源艙使用了名為「輕型索拖動饋源支撐系統」的新設計方案，由六座支撐塔吊起六根鋼索，通過索長度的收放，調節饋源接收機與發生形變的反射面之間的相對位置關係，實現高精度定位。FAST的饋源艙平臺重量僅為30噸，移動起來非常靈活，與德國波恩100米望遠鏡相比，FAST的靈敏度提高約10倍，與阿雷西博望遠鏡相比，其綜合性能也提高了10倍。

當時他們做過幾個饋源支撐縮尺模型試驗，饋源艙的指向一直不能達到最大的觀測角要求。「由於饋源艙是由塔上的鋼索拉動的，角度始終趨向於水平狀態，如果達不到40度的角度，就看不到銀河系的中心。」甘恆謙說，南仁東很有想像力地提出，在饋源艙周圍加一圈流體或半流體的「水環」，流體受到重力影響集中在某一方向，這樣可以有效補償姿態控制的不足之處，會使饋源艙的角度發生相應變化。不過後來通過與德國科學家的合作，FAST最終採用了鋼索牽引驅動的輕量化柔性饋源支撐模式，「水環」的方案沒有被採納，但南仁東的想像力確實讓項目組其他成員印象深刻。

與傳統射電望遠鏡採用獨立分塊反射面單元技術不同，FAST主動反射面的主要支撐結構採用了創新性的索網技術，2002年FAST技術年會上，南仁東第一次正式提出這個概念。「我問南老師，原來的技術應用很成熟了，為什麼要改？他說：『很簡單，因為省錢。』反射面放在索網上面，坑的弧度要求就沒那麼高了，不然工程耗費會非常大。」甘恆謙說。

但索網的製造和安裝難度相當大，首先是鋼索結構超高疲勞性能的要求。索構建疲勞強度不得低於500MPa，他們從知名企業購買了十餘種性能最好的鋼索結構進行疲勞試驗，結果令人意外的是沒有一家符合FAST的要求。當時是2010年，臺址開挖工程已經開始，姜鵬告訴本刊，原本臺址挖好時，設備基礎工程就應該同時做完，但鋼索疲勞問題沒有解決，反射面的結構形式就無法確定，設備基礎工程便無法開展。

「一開始並沒有想到尋找合適的鋼索材料會面臨如此大的困難，」姜鵬說，「當時南老壓力太大了，在兩年內，幾乎總是寢食難安，這是FAST項目遭受到的最大的一次危機。」在想解決方案時，南仁東又開始了他天馬行空的想像。「他甚至提出用彈簧作為彈性形變的載體，來解決索疲勞問題，我覺得很不可思議，最後拿出一個終極版的彈簧方案，目的是說服他，如果這個方案不行，其他彈簧方案也不用考慮了。但他這麼說，其實是希望大家都能發散思維，提出更多的新方案出來。我記得當我在黑板上把圖畫完之後，他簡單地問了幾個問題，之後就沉默了許久，我甚至不記得會議是怎麼結束的，只記得當時出奇的安靜。當我們都離開會議室時，他仍然站在黑板前，背著手看我畫的圖，那時我覺得他有點無助，像個孩子。」

FAST對鋼索結構的性能要求已經遠超國內外相關領域的規範，因此沒有任何一家企業能夠提供相關產品，南仁東等人只能將方向轉向鋼索的研製中。與國家天文臺在FAST工程項目上進行合作的科研、工程單位有幾十家，但研究索疲勞問題的卻寥寥無幾。唯一對此做過實驗的是鐵道部科學研究院，但溝通之後發現並無可借鑑的經驗，FAST必須從頭開始解決材料的問題。「當時對索疲勞問題有很多不同看法，有人認為是摩擦腐蝕的問題，有人認為是錨固技術的問題」，姜鵬回憶說，因為無法確定問題的根源，所以研製工作要在塗層改善、錨固技術等幾個方向上同時開展，在兩年的時間裡，經歷了近百次的失敗，幾乎每一次的實驗，南仁東都親臨現場，溝通改進措施。他們請來上海、南京等地的十幾家單位以及國外索結構的頂級專家一起評審，同時也幸運地找到一家既懂技術、又有經驗，同時願意配合的廠家，在工藝控制上為FAST提供經驗和產品，最終鋼索結構才終於被研製出來。

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