北京天文馆“宇宙灯塔”展项的创新设计与研发

苗军 景海荣 赵开羿 马劲 王菁 杨冰

摘 要 北京天文馆的“宇宙灯塔”展项以独特的外部灯塔造型、动态呈现的脉冲星结构模型以及创意的互动模式使得其兼具科学性和艺术性。通过介绍该展项在选题立意、呈现形式、交互方式、传播理念等方面的创新性，希望为国内科技类博物馆互动展项的设计研发提供一定的借鉴。

关键词 宇宙灯塔 展项研发 脉冲星 天文馆

0 引言

科技类博物馆中的互动展项因可参与度高、趣味性强和知识点新颖而备受青少年观众喜爱。然而近些年，各馆的同质化问题严重，其重要原因之一就是展项的设计研发难度较大，特别是天文学领域，许多复杂的概念难以直观呈现。

作为世界上首个用于科普场馆互动展示的大型脉冲星主题展项，北京天文馆“宇宙探秘”展区的“宇宙灯塔”展项力求充分利用挑高的展厅环境，在表现形式和交互设计等各个方面都有所创新。如图1所示，研发团队由展览专家、科学专家、艺术专家、工程专家等共计二十余人组成，历时一年多的创意构思、深化设计和建筑施工，克服了一系列技术难题。

1 全新的选题立意

目前，我国科技类博物馆中天文题材的展项，其设计灵感多源于太阳系内的天体，比如月球仪、三球仪、天体秤等。为了在展项主题上有所创新，在设计之初研发团队就将目光锁定在太阳系之外，以宇宙学的相关概念为突破口，最终确定以脉冲星作为主题来设计展项。

脉冲星又称波霎，作为中子星的一种，因周期性发射脉冲信号而得名，是宇宙中一类特殊的天体。脉冲星自1967年首次被发现起，始终得到极大关注，相关研究曾于1974年和1993年两次斩获诺贝尔物理学奖，是当下天文学研究的前沿领域之一。

2 静态呈现形式的创新设计

2.1 外部灯塔造型的创意实现

展项的外观造型应满足其功能实现，符合现有展厅空间的特征，具有一定的视觉冲击力，且与主题相关。在天文馆，球形展项比比皆是，故在设计初期即放弃了球体造型的设想。研发团队通过列举脉冲星的相关知识点来挖掘信息、寻找灵感：（1）球形外观，体积很小；（2）质量是太阳的1～2倍；（3）密度极大，与原子核相当；（4）表面磁场极强；（5）表面引力极大；（6）持续发出电磁辐射；（7）自转速度非常快；（8）自转周期极其稳定，精准度极高；（9）以电磁辐射的形式向宇宙空间释放能量，发出周期性脉冲信号；（10）X射線脉冲星对星际飞行器导航具有重要意义；（11）分为正常脉冲星与毫秒脉冲星；（12）脉冲星的形成与演化；（13）脉冲星的发现历史；（14）脉冲星的命名规则；（15）著名脉冲星；（16）脉冲星的空间分布；（17）可以借助射电望远镜探测脉冲星。[1-6]

依据“脉冲星：宇宙航行的灯塔”的比喻[7-8]，我们计划以灯塔为外观造型的设计来源（见图2）。灯塔是处于航道关键位置的一种塔状发光建筑，其基本作用是引导船舶航行。脉冲星的快速自转及其自转轴与磁轴往往不重合的特征，使得它就像是宇宙中的一座旋转的“灯塔”，周期性扫过周围的宇宙空间。由于观众对灯塔这个事物相对熟悉，其“航标”的功能与脉冲星的特征十分契合，故展项取名“宇宙灯塔”，以实物化方式直观呈现科学概念。

2.2 内部核心功能组件的科学实现

确定外部灯塔造型后，研发团队开始进行内部核心功能组件的深化设计工作，着眼于脉冲星的相关知识点，梳理其中相对典型的特征。按照布卢姆的知识分类体系[9]，（1）～（7）属于事实性知识，（8）～（17）属于概念性知识。相对于概念性知识，事实性知识更容易被观众理解和认知。如图3所示，研发团队决定以辐射束作为展示的重点，并辅以中子星本体、磁场、自转轴等加以完善，形成脉冲星的结构模型。

2.3 内部核心功能组件的深化设计

（1）辐射束

将辐射束以6根硬质空心方形钢管组成的圆锥形来表示。为了最大限度地利用“灯塔”的内部空间，研发团队将辐射束的长度设计为单边2.5 m，总长约5 m，与高大的外部构造和谐统一。

魏丁丁等[10]的研究结果表明，大约83%的脉冲星，其辐射束半径（圆锥的张角）的值分布在10°以下。如图4所示，展项的辐射束张角为7.4°，自转周期是0.11 s，取值合理。

乔国俊等[11]的研究结果表明，磁倾角小于16°的脉冲星约占80%，而磁倾角超过34°的脉冲星则不到2%。如图5所示，展项最终将磁倾角确定为33°，在不违背科学的前提下，满足了视觉效果的需要。

（2）中子星

中子星用304镜面不锈钢材质轧制成直径30 cm的空心球体来表示，其科学依据主要基于以下两个方面。

a.中子星的体积相比其他恒星小得多。典型中子星的直径约为20 km，而太阳的直径则约为1.4×106 km，二者相差近70 000倍；即便与地球相比，二者也相差超过600倍。基于工程结构的限制，中子星的球体在展项中最小直径为30 cm。按照观展位置测算，中子星的视大小仅为4°左右（见图6），可以传递出其“个头小”的信息。

b.镜面不锈钢材质可以表现出中子星表面光滑的特点。中子星是一种致密天体，内部结构主要由中子组成。一颗直径20 km的中子星的质量相当于1～2个太阳，密度大得惊人，这导致中子星表面的引力极大，因而十分光滑[12]。

（3）磁力线

磁力线由10根直径1 cm的钢条组成，着以渐变色彩，增强其艺术效果。

（4）自转轴

自转轴的外径为5 cm，着色为亚光灰，与展项底部的机械装置罩、顶部的圈梁等颜色保持一致。通过对自转轴粗细和颜色的弱化处理，使得展项主次分明、焦点突出。

至此，“宇宙灯塔”展项的静态呈现形式已初现端倪（见图7）：高大的外部灯塔造型，具有氛围营造和景观创造的双重功能；内部核心功能组件——辐射束、中子星、磁力线、自转轴则阐释了脉冲星的核心知识点。二者在体量造型、艺术搭配等方面都非常协调，犹如天文知识海洋中一座灯塔。

3 动态呈现形式的创新设计

3.1 脉冲星辐射过程的科学实现

不间断发出电磁辐射是脉冲星的重要特征之一。研发团队致力于让“辐射”的过程能动态呈现出来，特别选用了分布密集的灯带（60颗灯珠/m），将其捆绑在代表辐射束的方形钢管上。随着脉冲星的自转，电磁辐射从磁极附近持续发出。为了让观众看得更加清楚，且感受到其速度之快，研发团队借由控制器让灯带模拟出“光束移动”的效果。同时，通过设置“七彩追光”、“红蓝压光”等多种色彩组合方案，避免了视觉效果的单一性。

3.2 脉冲星快速自转的技术实现

快速自转是脉冲星的重要特征之一。中子星本体连同辐射束、磁力线在展厅里“转起来”，可最大限度地还原这一真实情形。研发团队经过多次旋转测试及观展体验评估后发现，2～6 r/min是可以接受的转速范围。为降低后期的维护成本，选取德国产电机与集电环，最终实现了预期效果。

4 交互方式的创新设计

“宇宙灯塔”展项还具备与观众互动的功能。最初的交互方案为观众可直接控制设备的旋转与停止，以及灯带的发光及熄灭。这并不难实现，但也带来新的问题：一旦展项停止旋转、灯带熄灭后，对观众的吸引力就会大大下降。因此，研发团队赋予了“脉冲星”两种旋转速度（2 r/min、5 r/min），观众通过简单的终端触屏操作，即可控制展项的运动形态，实现两种模式间的切换。

在脉冲星周而复始旋转的启发下，研发团队产生了一个大胆且极具创意的想法。每当辐射束灯带扫过地球模型，即代表脉冲星信号扫过地球一次，此时操控界面上会出现“监测到脉冲信号”，提示观众进入交互界面。为了引导观众学习脉冲星的相关知识，也出于对设备耐用性的考虑，研发团队设置了一道“门槛”，要求观众通过答题闯关后方可观看展项特效。在一套与脉冲星相关的题库中，每次随机抽出3道题目，观众答对其中的2道就可以获得切换的机会。答题时长为25 s，并设有倒计时提醒，这避免了个别观众的长时间“占有”，使更多观众能参与进来。答题成功后，展项随即在3 s内进入快速旋转模式，持续转动两圈之后，又恢复为默认的慢速旋转模式。

如图8所示，“宇宙灯塔”展项的操控台设计形式简约，与展项造型融为一体。同时，操控台本身也是一个简易的信息查询系统，可供观众自行查阅脉冲星的相关知识。

5 传播理念的创新设计

正值中国大型天文设施“天眼”FAST射电望远镜建设落成之际，“宇宙灯塔”展项紧扣社会热点，创新性地加入了“已确认的脉冲星数量”实时展示板块，并在展项启用后每月更新，从而保证观众及时获悉研究动态。这在一定程度上使得展項不再一成不变，保持新鲜度，体现时效性。

6 结语

本文较为详细地介绍了北京天文馆“宇宙灯塔”展项自立意至完成的研发过程，涵盖呈现形式、技术手段、交互方式等主要环节。前期，广泛调研国内外博物馆，查阅大量文献资料，获取创意灵感；中期，严格秉承科学性的原则，并兼顾艺术性，以天文视角为出发点，把握科普场馆的功能定位，结合当下互动展项的最新展示理念；后期，冲破层层难关，将深化设计逐一进行技术实现，并邀请相关领域的专家团队严格把关，保证了展项的创新性及高标准。

参考文献

[1]文天.脉冲星[M].北京：科学出版社，1978.

[2]F.G.施密斯.脉冲星[M].李启斌，译.北京：科学出版社，1982.

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[4]杨廷高，仲崇霞.毫秒脉冲星计时观测进展[J].天文学进展，2005（1）：1-9.

[5]郑伟，王奕迪，汤国建，等.X射线脉冲星导航理论与应用[M].北京：科学出版社，2015.

[6]谢蓉蓉，吴鑫基，乔国俊，等.脉冲星的辐射特征和空间分布的统计分析[J].天文研究与技术，1985（2）：28-33.

[7]GILFANOV M， SUNYEAV R， CHURAZOV E. Lighthouses of the Universe： The most luminous celestial objects and their use for cosmology[M]. Springer： Berlin Heidelberg， 2001.

[8]帅平.脉冲星：宇宙航行的灯塔[M].北京：国防工业出版社，2016.

[9]洛林·W.安德森.布卢姆教育目标分类学：分类学视野下的学与教及其测评[M].蒋小平，张琴美，罗晶晶，译.罗星凯，审校.北京：外语教学与研究出版社，2009.

[10]魏丁丁，游霄鹏.脉冲星射电辐射束半径与周期关系的研究[J].天文学报，2014（6）：466-475.

[11]乔国俊，吴鑫基.脉冲星磁倾角的几何研究[J].天体物理学报，1983（1）：9-16.

[12]DINWIDDIE R. The Stars： the definitive visual guide to the cosmos[M]. Great Britain： Dorling Kindersley， 2016.