中国天眼和“人民科学家”南仁东

吴鑫基

1993年北京天文台以南仁东为首的射电天文学家成立了大射电望远镜课题组，目标是建造一个比阿雷西博射电望远镜更大、更灵敏的射电望远镜。

中国天眼项目的由来

国家天文台的前身北京天文台是我国射电天文的发源地。1958年，王绶琯承担起发展中国射电天文的历史重任。从观测研究太阳开始，逐渐进入研究宇宙射电阶段。到1990年代初，我国才拥有上海天文台和新疆天文台的2台口径25米射电望远镜、紫金山天文台的13.7米口径毫米波射电望远镜和北京天文台密云综合孔径射电望远镜。

与国际上的同类望远镜相比，我国的望远镜缺乏竞争力，只能算是一些小型设备。德国的100米可动天线望远镜、美国的305米固定天线望远镜、印度的30面45米天线组成的米波综合孔径望远镜都属于同类中的世界第一，我们望尘莫及。

1990年代，国家开始加大支持科学技术大项目的力度。郭守敬光学望远镜成为我国天文界第一个国家项目，于1997年立项。射电天文学家看到了希望，提出很多计划。最突出的就是北京天文台南仁东团队提出的500米口径球面射电望远镜项目（FAST）。目标是超越居于世界第一的美国阿雷西博射电望远镜，成为世界上最大、灵敏度最高的单天线射电望远镜。

1993年，在日本召开的国际会议上，包括中国在内的10个国家倡议建造21世纪1平方千米接收面积的特大型射电望远镜（SKA）。相当于130台口径100米射电望远镜的总接收面积。这是一个巨大的跃进。

王绶琯指派南仁东负责，迅速组建了课题组，提出了SKA的中国方案：建造30多个口径300米左右的阿雷西博式的望远镜，组成平方千米射电望远镜阵列。1994年开始大规模选址，1995年在贵阳召开的国际会议还组织会议代表去初选的洼地站址考察。此时中国提出的SKA方案已成为五大候选方案之一。

南仁东团队不仅要参加SKA的国际合作项目，还想主导这个项目，让它落户我国贵州。为了达到这个目的，决定先行研制一台口径比较大的阿雷西博式的射电望远镜。后来SKA决定落户澳大利亚和南非。我国也就把这个先行项目变成了自主研制项目。1998年孕育出500米口径球面射电望远镜完整的设计思想和技术指标。

睿智、有担当的南仁东

南仁东师从王绶琯院士，博士毕业后，应用国际甚长基线干涉仪网进行射电星系核的观测研究，曾主持并顺利完成了欧洲及全球十余次联测，搞得风生水起。为了专心做好FAST，他毅然放下已经得心应手的研究领域，从头学起望远镜的研制。

北京天文台于1994年成立了大射电望远镜课题组，南仁东时任副台长，他任命彭勃为组长。1995年成立中国推进委员会，他任主任，继而担任FAST项目的首席科学家。每推进一步，他都是领头羊。

这是一个巨大的工程项目，涉及多项重大的技术创新。必须在全国范围内寻找人才和志同道合的大学和研究所，共同承担研发任务。1995 年7 月，课题组在北京密云主办大射电望远镜方案研讨会，邀请微波、电子、天线等方面的专家，集思广益。西安电子科技大学，中国电科39所、14所，航天工业23所等参加了会议。

通过5年的努力，南仁东团队不仅给出了科学、可行的总体方案，提炼出待攻关的关键技术，还组织起了一支过硬的攻关科技队伍。北京天文台由他、彭勃和邱育海承担FAST总体；中国科学院遥感应用所聂跃平、朱博勤承担台址评估；西安电子科技大学段宝岩、清华大学任革学承担馈源支撑；同济大学李国强、南京天文仪器研制中心屈元根承担主动反射面；北京理工大学丁洪生承担馈源支撑二次稳定平台；中国科学院数学与系统所韩京清承担控制策略；解放军信息工程大学郑勇承担工程测量；清华大学李国定等承担电性能分析……具备了申请立项的条件。

1998年初，王绶琯、陈建生、杨嘉墀、陈芳允4位中国科学院院士联名写信推荐FAST项目， 得到时任中国科学院院长路甬祥的同意，后来FAST成功申报国家大科学工程项目。

中国天眼独特的创新

南仁东团队提出的FAST技术指标，十分耀眼：要在灵敏度上超过阿雷西博射电望远镜2倍多一些，观测天区范围要扩大1倍，综合观测能力要比阿雷西博望远镜强10倍。这个能力主要指能观测的射电天体数目。

创新一：建造阿雷西博式的射电望远镜

阿雷西博射电望远镜物美价廉，又是世界第一。美国天文方面有很多世界第一的观测设备，这是造价最便宜的，我们国家能够负担得起，有可能建造比它更大的，实现超越。

1963年美国科学家利用阿雷西博石灰岩构成的喀斯特地形，建造了一台固定式的兼有射电望远镜功能的雷达。结果天文观测喧宾夺主，占据最多的观测时间。他们找到一个开口大于300米的碗状大坑作为底座，天线由固定在石灰岩上的钢索网支撑。最初的天线是金属网的，到1997年已变成金属面板，观测波段扩展到3厘米。

300米口径的球面天线观测时只用200米口径，因此能够分成很多指向不同的200米口径的天线。球面天线没有主光轴，不管用哪部分球面都可以聚集到相应的焦线上。而抛物面只有一个焦点，只能观测与主光轴平行的方向上的天体，所以抛物面天线射电望远镜的天线都是全可动的。

天线不动，馈源就要能够移动。观测不同方向的天体，馈源就要准确移动到相应的位置上。解决办法是把一个非常大的馈源轨道平台吊到空中，馈源舱在轨道中移动可以保证位置精度。这个轨道平台很大，方圆100米出头，很重，近千吨，笨拙且造价昂贵，但总算是解决了难题。线聚焦麻烦很多，要把一条长达20多米的馈线送到指定的位置难度很大，1997年，他们增加了改正镜等附属设备，把线聚焦变为点聚焦。

阿雷西博从1963年建成直到2020年12月1日倒塌之前，雄踞世界第一超过半个世纪。获得了很多载入史册般的成果，如测量了水星的自转、发现了第一例太阳系以外的行星、发现了第一例双中子星系统。最辉煌的当然是对双中子星的长期监测，间接证明了引力波的存在，该成果获得1993年的诺贝尔物理学奖。

我国贵州的喀斯特地形发育更好， 地震、飓风等自然灾害发生概率极小。这种地形优点之一是雨后不会存水，很快就会渗透到地下。根据遥感资料，贵州地区有近400个候选的洼地。需要进行实地勘察才能选出合适的。团队先后共考察了约100个洼地。南仁东亲力亲为，参加了近20个洼地的探查，与队员们同甘共苦。最终在2006年为FAST找到一个理想的洼地：平塘县的“大窝凼”，开口大于500米，各种条件都很优良。

FAST团队找到了500米开口的喀斯特地形的洼地，建造500米口径望远镜前无古人，当然也是一种创新。

创新二：馈源索支撑新技术

阿雷西博望远镜最花钱的是馈源轨道平台，如果FAST也采用这种方式，平台的重量或将达到几千吨甚至上万吨， 造价要高出很多倍，FAST将不可能立项。1995年在北京召开的学术会议上，西安电子科技大学段宝岩提出一个新颖的技术方案：取消馈源轨道平台，采用钢索吊起和驱动馈源移动。馈源舱重量降为30吨，成本仅为阿雷西博馈源平台的1/10，而且还减少了庞大的支撑平台的遮挡，增加了天线有效面积。随后在贵阳花溪国际会议上报告时，国外专家评价是“大胆的设计革新”。但这时的方案还仅仅是纸上谈兵，存在风险。

这个方案成为FAST的生命线，南仁东很看重，组建了多个技术攻关团队，除了西安电子科技大学段宝岩团队，还有清华大学的两个团队、北京理工大学团队以及国家天文台与德国MT公司组成的团队。

段宝岩团队先后搭建了一个5米和两个50米的缩比验证模型。清华大学先后建造了4塔方案20/50米模型，6塔方案40米模型。这些不同比例的模型的实验，为FAST建设扫清技术障碍，积累了有益的工程经验。

最后的结果非常理想：FAST用6座支撑塔及相应的6根柔性索把馈源舱吊起，用索驱动馈源舱送到指定的位置，精度达到厘米级。然后由馈源舱平台上的机器人精确调整位置达到4毫米的精度，超过了标准。

索网使用的钢索的应力幅必须要达到500兆帕和200万次的疲劳强度才行。但300兆帕的钢索还未诞生，中国没有，世界上也找不到。没有合格的钢索，建成的FAST将会问题不断。

突如其来的难题使南仁东很着急，甚至有点坐立不安。他亲自去工厂与技术人员商讨，决定进行系统的钢索疲劳试验，并参加了部分实验。这个实验持续了两年时间，通过涂层工艺的改进和柔性的优化，新的钢索逐渐达到FAST工程的要求。不仅解决了FAST的难题，也推进中国的企业创造了一种新型钢索。

技术攻关很成功，馈源舱平台仅30吨，跨度十来米。小巧轻盈、移动灵活、位置精度高，可谓又一个奇迹。

创新三：采用主动反射面技术，FAST更上一层楼

采用馈源索支撑技术后的FAST被称为阿雷西博改进型，南仁东非常认可。但仍然需要采用线馈源或改正镜技术。1997年北京天文台邱育海提出主动反射面的建议，让固定不动的反射面动起来。把用来观测的300米球面反射面改变为抛物面，并能逐步推进以实现跟踪观测，彻底解决了点聚焦的难题。

上海天文台65米射电望远镜已经用上主动反射面技术，其功能是能够对天线表面形状做微调，当监测仪器发现表面变形就自动把表面调整为理想的抛物面。当然，由球面改为抛物面的调整幅度要大很多，特别是300米的口径太大，必须发展新的技术。

邱育海的建议引起一些人的担心，他们认为，稳妥起见，天线还是不“动”为好。支持者认为，这一变，FAST就脱胎换骨了，彻底解决了点聚焦问题。南仁东很重视，也有些犹豫。作为首席科学家，他要百分之百地保证FAST圆满完成，不能出任何差错或者拖延。为了保险起见，决定让邱育海把建议写成论文发表，广泛征求国内外专家学者的意见。彭勃率团参加英国皇家天文学会月会并访问剑桥大学首次推介FAST概念时，不仅得到肯定，还请求诺贝尔奖获得者休伊什把邱育海的论文推荐给英国的天文学术刊物发表。

王绶琯院士极为重视，亲自向自动控制专家、中国科学院院士杨嘉墀咨询，讨论主动反射面支撑结构所需的上千点实时控制能否实现？杨院士表示可行。王绶琯院士才放心，不仅支持主动反射面，还特别叮嘱南仁东务必扩大FAST的观测天区范围，实现比阿雷西博大一倍的设计。 邱育海的论文发表后，国内外的好评如潮，南仁东迅速组织研究团队进行攻关实验，获得成功，成为FAST最亮丽的创新点。

为了验证索网主动反射面方案，同时集成馈源支撑等形成完整望远镜，2005年启动密云MyFAST 整体模型的建造。包括4个12米高的钢塔、30米直径反射面圈梁、球形索网、馈源、简易接收机、综合布线与测量系统等，一应俱全。2006年9月6日成功观测到银河系中性氢。为FAST工程可行性提供了重要支撑。这是由清华大学、哈尔滨工业大学和解放军信息工程大学等合作研制完成的。

世界第一的FAST建成

FAST于2007年获得国家立项批复， 经过几年周密的准备，于2011年3月开工建设。南仁东常常头戴安全帽出现在工地上，与工人、技术员打成一片。

以台址勘察与开挖工程为先导，开始了长达5年半的施工。承担施工的几乎都是国内最顶尖的工程公司，承担圈梁钢结构安装的是江苏沪宁钢机，建造索网工程的是柳州欧维姆机械，进行馈源塔制造与安装的是青岛东方铁塔等。

工程量最大的是反射面圈梁和反射面的建造。圈梁采用管桁架结构，宽11米、高5.5米，由50根等距分布的格构柱支撑。6670根钢索编织成500米口径球冠面主索网，反射面就铺设在主索网上，由4300个三角形、150个边缘异型铝合金面板单元和背架组成。

反射面的形状由索网决定，反射面变形是由固定在地面的下拉索和促动器结构连接索网的2225个结点，实现变形。在圈梁外围竖立的6座百米高的铁塔，由6根缆绳吊起30吨重的馈源舱。

FAST于2016年9月建成，由新成立的调试组进行全面的调试， 2020年1月11日通过国家验收，正式投入使用。2016年建成时，南仁东已经身患重病，仍然亲赴现场，见证他与战友们奋斗了22年的成果。不到1年，2017年9月15日，他就永远地离开了我们，享年72岁。

南仁东没有辜负党和人民的期望和重托，给祖国和人民献上一份大礼之后离开了人间。不仅留下了具有国际领先水平的射电望远镜，还有他勇攀科学高峰、不畏艰难困苦、勇往直前的革命精神。

2016年9月25日，国家主席习近平发来贺信，指出“500米口径球面射电望远镜被誉为‘中国天眼，是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。它的落成启用，对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义”。

在“中国天眼”落成5周年之际，上海科技教育出版社出版了南仁东的副手和师弟、国家天文台彭勃研究员撰写的《天眼工程——大射电望远镜FAST追梦实录》一书，以全程亲历者的视角，用通俗的语言、300余张珍贵图片和大量一手资料，真实记录了“中国天眼”的诞生历程。

这本书讲述了我国老中青三代科技精英为建造世界第一的中国天眼奋力拼搏的故事，共记录了600多个人的名字，永远铭记每一个人的贡献。这些人主要包括国内46所高校和研究所的300多位专家学者、11个国家的62位著名学者、一批办实事的政府领导和工作人员。大家协同努力战胜了很多困难，使我们国家的单天线射电望远镜跃居世界第一的计划得以实现。

幸福地走到中国天眼近旁

笔者曾经 5 次去贵阳参加 FAST 举办的活动，2023 年 7 月再一次访问 FAST，虽已 88 岁高龄，仍然希望能再到天眼近旁看看。中国天眼基地负责人、总工程师姜鹏亲自安排了这次访问。笔者在望远镜圈梁通道上绕反射面尽兴走了近半圈，体会中国天眼创建的艰苦岁月和取得的一个个进展。小巧的馈源舱挂在高空，看到的是一个边缘模糊的白色小圆盘。笔者盯着硕大无比的反射面反复观看，仿佛看到它在变形……

关键词：中国天眼 FAST 南仁东 ■