吳鑫基

1993年北京天文臺以南仁東為首的射電天文學家成立了大射電望遠鏡課題組，目標是建造一個比阿雷西博射電望遠鏡更大、更靈敏的射電望遠鏡。

中國天眼項目的由來

國家天文臺的前身北京天文臺是我國射電天文的發(fā)源地。1958年，王綬琯承擔起發(fā)展中國射電天文的歷史重任。從觀測研究太陽開始，逐漸進入研究宇宙射電階段。到1990年代初，我國才擁有上海天文臺和新疆天文臺的2臺口徑25米射電望遠鏡、紫金山天文臺的13.7米口徑毫米波射電望遠鏡和北京天文臺密云綜合孔徑射電望遠鏡。

與國際上的同類望遠鏡相比，我國的望遠鏡缺乏競爭力，只能算是一些小型設備。德國的100米可動天線望遠鏡、美國的305米固定天線望遠鏡、印度的30面45米天線組成的米波綜合孔徑望遠鏡都屬于同類中的世界第一，我們望塵莫及。

1990年代，國家開始加大支持科學技術大項目的力度。郭守敬光學望遠鏡成為我國天文界第一個國家項目，于1997年立項。射電天文學家看到了希望，提出很多計劃。最突出的就是北京天文臺南仁東團隊提出的500米口徑球面射電望遠鏡項目（FAST）。目標是超越居于世界第一的美國阿雷西博射電望遠鏡，成為世界上最大、靈敏度最高的單天線射電望遠鏡。

1993年，在日本召開的國際會議上，包括中國在內的10個國家倡議建造21世紀1平方千米接收面積的特大型射電望遠鏡（SKA）。相當于130臺口徑100米射電望遠鏡的總接收面積。這是一個巨大的躍進。

王綬琯指派南仁東負責，迅速組建了課題組，提出了SKA的中國方案：建造30多個口徑300米左右的阿雷西博式的望遠鏡，組成平方千米射電望遠鏡陣列。1994年開始大規(guī)模選址，1995年在貴陽召開的國際會議還組織會議代表去初選的洼地站址考察。此時中國提出的SKA方案已成為五大候選方案之一。

南仁東團隊不僅要參加SKA的國際合作項目，還想主導這個項目，讓它落戶我國貴州。為了達到這個目的，決定先行研制一臺口徑比較大的阿雷西博式的射電望遠鏡。后來SKA決定落戶澳大利亞和南非。我國也就把這個先行項目變成了自主研制項目。1998年孕育出500米口徑球面射電望遠鏡完整的設計思想和技術指標。

睿智、有擔當的南仁東

南仁東師從王綬琯院士，博士畢業(yè)后，應用國際甚長基線干涉儀網進行射電星系核的觀測研究，曾主持并順利完成了歐洲及全球十余次聯(lián)測，搞得風生水起。為了專心做好FAST，他毅然放下已經得心應手的研究領域，從頭學起望遠鏡的研制。

北京天文臺于1994年成立了大射電望遠鏡課題組，南仁東時任副臺長，他任命彭勃為組長。1995年成立中國推進委員會，他任主任，繼而擔任FAST項目的首席科學家。每推進一步，他都是領頭羊。

這是一個巨大的工程項目，涉及多項重大的技術創(chuàng)新。必須在全國范圍內尋找人才和志同道合的大學和研究所，共同承擔研發(fā)任務。1995 年7 月，課題組在北京密云主辦大射電望遠鏡方案研討會，邀請微波、電子、天線等方面的專家，集思廣益。西安電子科技大學，中國電科39所、14所，航天工業(yè)23所等參加了會議。

通過5年的努力，南仁東團隊不僅給出了科學、可行的總體方案，提煉出待攻關的關鍵技術，還組織起了一支過硬的攻關科技隊伍。北京天文臺由他、彭勃和邱育海承擔FAST總體；中國科學院遙感應用所聶躍平、朱博勤承擔臺址評估；西安電子科技大學段寶巖、清華大學任革學承擔饋源支撐；同濟大學李國強、南京天文儀器研制中心屈元根承擔主動反射面；北京理工大學丁洪生承擔饋源支撐二次穩(wěn)定平臺；中國科學院數學與系統(tǒng)所韓京清承擔控制策略；解放軍信息工程大學鄭勇承擔工程測量；清華大學李國定等承擔電性能分析……具備了申請立項的條件。

1998年初，王綬琯、陳建生、楊嘉墀、陳芳允4位中國科學院院士聯(lián)名寫信推薦FAST項目， 得到時任中國科學院院長路甬祥的同意，后來FAST成功申報國家大科學工程項目。

中國天眼獨特的創(chuàng)新

南仁東團隊提出的FAST技術指標，十分耀眼：要在靈敏度上超過阿雷西博射電望遠鏡2倍多一些，觀測天區(qū)范圍要擴大1倍，綜合觀測能力要比阿雷西博望遠鏡強10倍。這個能力主要指能觀測的射電天體數目。

創(chuàng)新一：建造阿雷西博式的射電望遠鏡

阿雷西博射電望遠鏡物美價廉，又是世界第一。美國天文方面有很多世界第一的觀測設備，這是造價最便宜的，我們國家能夠負擔得起，有可能建造比它更大的，實現(xiàn)超越。

1963年美國科學家利用阿雷西博石灰?guī)r構成的喀斯特地形，建造了一臺固定式的兼有射電望遠鏡功能的雷達。結果天文觀測喧賓奪主，占據最多的觀測時間。他們找到一個開口大于300米的碗狀大坑作為底座，天線由固定在石灰?guī)r上的鋼索網支撐。最初的天線是金屬網的，到1997年已變成金屬面板，觀測波段擴展到3厘米。

300米口徑的球面天線觀測時只用200米口徑，因此能夠分成很多指向不同的200米口徑的天線。球面天線沒有主光軸，不管用哪部分球面都可以聚集到相應的焦線上。而拋物面只有一個焦點，只能觀測與主光軸平行的方向上的天體，所以拋物面天線射電望遠鏡的天線都是全可動的。

天線不動，饋源就要能夠移動。觀測不同方向的天體，饋源就要準確移動到相應的位置上。解決辦法是把一個非常大的饋源軌道平臺吊到空中，饋源艙在軌道中移動可以保證位置精度。這個軌道平臺很大，方圓100米出頭，很重，近千噸，笨拙且造價昂貴，但總算是解決了難題。線聚焦麻煩很多，要把一條長達20多米的饋線送到指定的位置難度很大，1997年，他們增加了改正鏡等附屬設備，把線聚焦變?yōu)辄c聚焦。

阿雷西博從1963年建成直到2020年12月1日倒塌之前，雄踞世界第一超過半個世紀。獲得了很多載入史冊般的成果，如測量了水星的自轉、發(fā)現(xiàn)了第一例太陽系以外的行星、發(fā)現(xiàn)了第一例雙中子星系統(tǒng)。最輝煌的當然是對雙中子星的長期監(jiān)測，間接證明了引力波的存在，該成果獲得1993年的諾貝爾物理學獎。

我國貴州的喀斯特地形發(fā)育更好， 地震、颶風等自然災害發(fā)生概率極小。這種地形優(yōu)點之一是雨后不會存水，很快就會滲透到地下。根據遙感資料，貴州地區(qū)有近400個候選的洼地。需要進行實地勘察才能選出合適的。團隊先后共考察了約100個洼地。南仁東親力親為，參加了近20個洼地的探查，與隊員們同甘共苦。最終在2006年為FAST找到一個理想的洼地：平塘縣的“大窩凼”，開口大于500米，各種條件都很優(yōu)良。

FAST團隊找到了500米開口的喀斯特地形的洼地，建造500米口徑望遠鏡前無古人，當然也是一種創(chuàng)新。

創(chuàng)新二：饋源索支撐新技術

阿雷西博望遠鏡最花錢的是饋源軌道平臺，如果FAST也采用這種方式，平臺的重量或將達到幾千噸甚至上萬噸， 造價要高出很多倍，F(xiàn)AST將不可能立項。1995年在北京召開的學術會議上，西安電子科技大學段寶巖提出一個新穎的技術方案：取消饋源軌道平臺，采用鋼索吊起和驅動饋源移動。饋源艙重量降為30噸，成本僅為阿雷西博饋源平臺的1/10，而且還減少了龐大的支撐平臺的遮擋，增加了天線有效面積。隨后在貴陽花溪國際會議上報告時，國外專家評價是“大膽的設計革新”。但這時的方案還僅僅是紙上談兵，存在風險。

這個方案成為FAST的生命線，南仁東很看重，組建了多個技術攻關團隊，除了西安電子科技大學段寶巖團隊，還有清華大學的兩個團隊、北京理工大學團隊以及國家天文臺與德國MT公司組成的團隊。

段寶巖團隊先后搭建了一個5米和兩個50米的縮比驗證模型。清華大學先后建造了4塔方案20/50米模型，6塔方案40米模型。這些不同比例的模型的實驗，為FAST建設掃清技術障礙，積累了有益的工程經驗。

最后的結果非常理想：FAST用6座支撐塔及相應的6根柔性索把饋源艙吊起，用索驅動饋源艙送到指定的位置，精度達到厘米級。然后由饋源艙平臺上的機器人精確調整位置達到4毫米的精度，超過了標準。

索網使用的鋼索的應力幅必須要達到500兆帕和200萬次的疲勞強度才行。但300兆帕的鋼索還未誕生，中國沒有，世界上也找不到。沒有合格的鋼索，建成的FAST將會問題不斷。

突如其來的難題使南仁東很著急，甚至有點坐立不安。他親自去工廠與技術人員商討，決定進行系統(tǒng)的鋼索疲勞試驗，并參加了部分實驗。這個實驗持續(xù)了兩年時間，通過涂層工藝的改進和柔性的優(yōu)化，新的鋼索逐漸達到FAST工程的要求。不僅解決了FAST的難題，也推進中國的企業(yè)創(chuàng)造了一種新型鋼索。

技術攻關很成功，饋源艙平臺僅30噸，跨度十來米。小巧輕盈、移動靈活、位置精度高，可謂又一個奇跡。

創(chuàng)新三：采用主動反射面技術，F(xiàn)AST更上一層樓

采用饋源索支撐技術后的FAST被稱為阿雷西博改進型，南仁東非常認可。但仍然需要采用線饋源或改正鏡技術。1997年北京天文臺邱育海提出主動反射面的建議，讓固定不動的反射面動起來。把用來觀測的300米球面反射面改變?yōu)閽佄锩?，并能逐步推進以實現(xiàn)跟蹤觀測，徹底解決了點聚焦的難題。

上海天文臺65米射電望遠鏡已經用上主動反射面技術，其功能是能夠對天線表面形狀做微調，當監(jiān)測儀器發(fā)現(xiàn)表面變形就自動把表面調整為理想的拋物面。當然，由球面改為拋物面的調整幅度要大很多，特別是300米的口徑太大，必須發(fā)展新的技術。

邱育海的建議引起一些人的擔心，他們認為，穩(wěn)妥起見，天線還是不“動”為好。支持者認為，這一變，F(xiàn)AST就脫胎換骨了，徹底解決了點聚焦問題。南仁東很重視，也有些猶豫。作為首席科學家，他要百分之百地保證FAST圓滿完成，不能出任何差錯或者拖延。為了保險起見，決定讓邱育海把建議寫成論文發(fā)表，廣泛征求國內外專家學者的意見。彭勃率團參加英國皇家天文學會月會并訪問劍橋大學首次推介FAST概念時，不僅得到肯定，還請求諾貝爾獎獲得者休伊什把邱育海的論文推薦給英國的天文學術刊物發(fā)表。

王綬琯院士極為重視，親自向自動控制專家、中國科學院院士楊嘉墀咨詢，討論主動反射面支撐結構所需的上千點實時控制能否實現(xiàn)？楊院士表示可行。王綬琯院士才放心，不僅支持主動反射面，還特別叮囑南仁東務必擴大FAST的觀測天區(qū)范圍，實現(xiàn)比阿雷西博大一倍的設計。 邱育海的論文發(fā)表后，國內外的好評如潮，南仁東迅速組織研究團隊進行攻關實驗，獲得成功，成為FAST最亮麗的創(chuàng)新點。

為了驗證索網主動反射面方案，同時集成饋源支撐等形成完整望遠鏡，2005年啟動密云MyFAST 整體模型的建造。包括4個12米高的鋼塔、30米直徑反射面圈梁、球形索網、饋源、簡易接收機、綜合布線與測量系統(tǒng)等，一應俱全。2006年9月6日成功觀測到銀河系中性氫。為FAST工程可行性提供了重要支撐。這是由清華大學、哈爾濱工業(yè)大學和解放軍信息工程大學等合作研制完成的。

世界第一的FAST建成

FAST于2007年獲得國家立項批復， 經過幾年周密的準備，于2011年3月開工建設。南仁東常常頭戴安全帽出現(xiàn)在工地上，與工人、技術員打成一片。

以臺址勘察與開挖工程為先導，開始了長達5年半的施工。承擔施工的幾乎都是國內最頂尖的工程公司，承擔圈梁鋼結構安裝的是江蘇滬寧鋼機，建造索網工程的是柳州歐維姆機械，進行饋源塔制造與安裝的是青島東方鐵塔等。

工程量最大的是反射面圈梁和反射面的建造。圈梁采用管桁架結構，寬11米、高5.5米，由50根等距分布的格構柱支撐。6670根鋼索編織成500米口徑球冠面主索網，反射面就鋪設在主索網上，由4300個三角形、150個邊緣異型鋁合金面板單元和背架組成。

反射面的形狀由索網決定，反射面變形是由固定在地面的下拉索和促動器結構連接索網的2225個結點，實現(xiàn)變形。在圈梁外圍豎立的6座百米高的鐵塔，由6根纜繩吊起30噸重的饋源艙。

FAST于2016年9月建成，由新成立的調試組進行全面的調試， 2020年1月11日通過國家驗收，正式投入使用。2016年建成時，南仁東已經身患重病，仍然親赴現(xiàn)場，見證他與戰(zhàn)友們奮斗了22年的成果。不到1年，2017年9月15日，他就永遠地離開了我們，享年72歲。

南仁東沒有辜負黨和人民的期望和重托，給祖國和人民獻上一份大禮之后離開了人間。不僅留下了具有國際領先水平的射電望遠鏡，還有他勇攀科學高峰、不畏艱難困苦、勇往直前的革命精神。

2016年9月25日，國家主席習近平發(fā)來賀信，指出“500米口徑球面射電望遠鏡被譽為‘中國天眼，是具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。它的落成啟用，對我國在科學前沿實現(xiàn)重大原創(chuàng)突破、加快創(chuàng)新驅動發(fā)展具有重要意義”。

在“中國天眼”落成5周年之際，上?？萍冀逃霭嫔绯霭媪四先蕱|的副手和師弟、國家天文臺彭勃研究員撰寫的《天眼工程——大射電望遠鏡FAST追夢實錄》一書，以全程親歷者的視角，用通俗的語言、300余張珍貴圖片和大量一手資料，真實記錄了“中國天眼”的誕生歷程。

這本書講述了我國老中青三代科技精英為建造世界第一的中國天眼奮力拼搏的故事，共記錄了600多個人的名字，永遠銘記每一個人的貢獻。這些人主要包括國內46所高校和研究所的300多位專家學者、11個國家的62位著名學者、一批辦實事的政府領導和工作人員。大家協(xié)同努力戰(zhàn)勝了很多困難，使我們國家的單天線射電望遠鏡躍居世界第一的計劃得以實現(xiàn)。

幸福地走到中國天眼近旁

筆者曾經 5 次去貴陽參加 FAST 舉辦的活動，2023 年 7 月再一次訪問 FAST，雖已 88 歲高齡，仍然希望能再到天眼近旁看看。中國天眼基地負責人、總工程師姜鵬親自安排了這次訪問。筆者在望遠鏡圈梁通道上繞反射面盡興走了近半圈，體會中國天眼創(chuàng)建的艱苦歲月和取得的一個個進展。小巧的饋源艙掛在高空，看到的是一個邊緣模糊的白色小圓盤。筆者盯著碩大無比的反射面反復觀看，仿佛看到它在變形……

關鍵詞：中國天眼 FAST 南仁東 ■