“天眼之父”：一个充满想象力的科学家和他23年守望梦想的故事
天文学家的想象力编辑本段
2017年9月15日,72岁的南仁东在美国治疗肺癌时去世。“他说,如果有一天他真的不行了,他就躲得远远的,不让我们看见他。”FAST工程调试组组长姜鹏回忆说,这可能就是南仁东的性格,希望保持着最有尊严的形象。
群山之中的FAST工程
姜鹏来天文台面试的时候,并不知道南仁东是谁,“只是感觉到他强大的气场,一看就是‘头儿’,甚至有点像‘土匪头儿’”。从上世纪90年代开始筹划FAST项目时,南仁东就一直留着一撮小胡子,过了20多年,头发和小胡子都已变得花白。在工地上他随意地穿着大汗衫,鼻梁上架着近视镜和老花镜,回北京又变回了时髦老人,有时候回到校园给研究生上课,他会穿花衬衫和牛仔裤,有一次还穿了条很潮的皮裤。“出国参加学术会议也很注重形象,要带一箱子衣服去。”FAST工程办公室副主任张海燕说。
南仁东是1963年吉林省的高考理科状元,考入清华大学无线电系,“文革”之后,在北京天文台读天体物理的研究生。他是一个爱好艺术和哲学的科学家,尤其喜欢画画,在日本国立天文台访学期间,创作了一幅油画《富士山》,至今仍挂在该校教学楼的大厅里。“有一次我问他,为什么反射面周围的六座百米支撑塔要等间距排布,打乱排不是能减少很多工作量吗?结果他就一句话,‘那样不好看’。别看他忙,但做PPT特别讲究,有一次开完会其他单位的人问我,你们是请专人帮忙设计PPT吗,怎么版式那么好看?其实都是南老自己做的。”FAST工程副经理张蜀新向本刊回忆道。
“也许是因为喜欢艺术,他和一般科学家不太一样,想法不受拘束,很有想象力,经常会冒出很多创新点出来。”FAST工程接收机与终端系统高级工程师甘恒谦对本刊记者说。
数千块单元组成的球面主动反射面技术是由南仁东主导的FAST最大创新点之一。主动反射面技术在以往的射电望远镜中虽已有应用,但都用在小范围的改变上,目的是通过改变单元反射面的位置来保持整个反射面的抛面形状,而FAST的反射面要进行大范围的运动,每一个单元反射面的作用是要将球面改成抛物面,通过主动的变形实现对天体跟踪式的观测。而要实现这种跟踪观测,对反射面上空的馈源舱定位精度要求很高。目前规模世界第二的美国阿雷西博射电望远镜球面口径为305米,由100米高的三座铁塔支撑着一个重达500吨的三角形平台和可移动馈源臂,以及下方悬挂着的重75吨的圆屋组成馈源舱,“305米口径的望远镜,这个平台的长度大概在百米量级,如果我们500米口径的望远镜仍然采用这种结构,平台长度至少要达到250米,这个不太现实。”甘恒谦介绍说,FAST的馈源舱使用了名为“轻型索拖动馈源支撑系统”的新设计方案,由六座支撑塔吊起六根钢索,通过索长度的收放,调节馈源接收机与发生形变的反射面之间的相对位置关系,实现高精度定位。FAST的馈源舱平台重量仅为30吨,移动起来非常灵活,与德国波恩100米望远镜相比,FAST的灵敏度提高约10倍,与阿雷西博望远镜相比,其综合性能也提高了10倍。
当时他们做过几个馈源支撑缩尺模型试验,馈源舱的指向一直不能达到最大的观测角要求。“由于馈源舱是由塔上的钢索拉动的,角度始终趋向于水平状态,如果达不到40度的角度,就看不到银河系的中心。”甘恒谦说,南仁东很有想象力地提出,在馈源舱周围加一圈流体或半流体的“水环”,流体受到重力影响集中在某一方向,这样可以有效补偿姿态控制的不足之处,会使馈源舱的角度发生相应变化。不过后来通过与德国科学家的合作,FAST最终采用了钢索牵引驱动的轻量化柔性馈源支撑模式,“水环”的方案没有被采纳,但南仁东的想象力确实让项目组其他成员印象深刻。
与传统射电望远镜采用独立分块反射面单元技术不同,FAST主动反射面的主要支撑结构采用了创新性的索网技术,2002年FAST技术年会上,南仁东第一次正式提出这个概念。“我问南老师,原来的技术应用很成熟了,为什么要改?他说:‘很简单,因为省钱。’反射面放在索网上面,坑的弧度要求就没那么高了,不然工程耗费会非常大。”甘恒谦说。
但索网的制造和安装难度相当大,首先是钢索结构超高疲劳性能的要求。索构建疲劳强度不得低于500MPa,他们从知名企业购买了十余种性能最好的钢索结构进行疲劳试验,结果令人意外的是没有一家符合FAST的要求。当时是2010年,台址开挖工程已经开始,姜鹏告诉本刊,原本台址挖好时,设备基础工程就应该同时做完,但钢索疲劳问题没有解决,反射面的结构形式就无法确定,设备基础工程便无法开展。
“一开始并没有想到寻找合适的钢索材料会面临如此大的困难,”姜鹏说,“当时南老压力太大了,在两年内,几乎总是寝食难安,这是FAST项目遭受到的最大的一次危机。”在想解决方案时,南仁东又开始了他天马行空的想象。“他甚至提出用弹簧作为弹性形变的载体,来解决索疲劳问题,我觉得很不可思议,最后拿出一个终极版的弹簧方案,目的是说服他,如果这个方案不行,其他弹簧方案也不用考虑了。但他这么说,其实是希望大家都能发散思维,提出更多的新方案出来。我记得当我在黑板上把图画完之后,他简单地问了几个问题,之后就沉默了许久,我甚至不记得会议是怎么结束的,只记得当时出奇的安静。当我们都离开会议室时,他仍然站在黑板前,背着手看我画的图,那时我觉得他有点无助,像个孩子。”
FAST对钢索结构的性能要求已经远超国内外相关领域的规范,因此没有任何一家企业能够提供相关产品,南仁东等人只能将方向转向钢索的研制中。与国家天文台在FAST工程项目上进行合作的科研、工程单位有几十家,但研究索疲劳问题的却寥寥无几。唯一对此做过实验的是铁道部科学研究院,但沟通之后发现并无可借鉴的经验,FAST必须从头开始解决材料的问题。“当时对索疲劳问题有很多不同看法,有人认为是摩擦腐蚀的问题,有人认为是锚固技术的问题”,姜鹏回忆说,因为无法确定问题的根源,所以研制工作要在涂层改善、锚固技术等几个方向上同时开展,在两年的时间里,经历了近百次的失败,几乎每一次的实验,南仁东都亲临现场,沟通改进措施。他们请来上海、南京等地的十几家单位以及国外索结构的顶级专家一起评审,同时也幸运地找到一家既懂技术、又有经验,同时愿意配合的厂家,在工艺控制上为FAST提供经验和产品,最终钢索结构才终于被研制出来。