大国工程背后的清华力量∣南仁东们：擦亮中国探索和追问宇宙的“天眼”

2019 年 5 月 20 日 清华大学研究生教育

4月22日，500米口径球面射电望远镜通过工艺验收，此前，已于18日向国内天文学家试开放！

南仁东生前一直惦念在心的事情终于尘埃落定——我国拥有了自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜“中国天眼”（FAST）。“它将改变天文学的研究能力，特别是在射电天文学研究领域。”平方公里阵列射电望远镜（SKA）组织总干事菲尔·戴蒙德这样评价FAST。

“感官安宁，万籁无声，美丽的宇宙太空，正以它的神秘和绚丽，召唤我们踏过平庸，进入无垠的广袤。”很多人还记得，在离开这个世界之前，南仁东一字一顿地向他一生所爱的星空告白。

一个人的梦想能有多大？大到可以直抵苍穹。

一个人的梦想能有多久？久到能够穿越一生。

“72载人生路，像是只为FAST而来。”二十四年，从选址、立项、可行性研究，到指导各项关键技术的研究以及模型试验，南仁东把毕生精力毫无保留地给了这个“大国重器”，奉献了一个清华学子对国家民族的全部赤诚和心力。

一朝功成，2017年9月15日，他走了。但他的事业没有就此停下。在FAST的新起点上，更多的科研工作者正延续着他的足迹，继续探索宇宙与未来。

结缘射电，半生相伴

时间回到1963年。

南仁东以吉林省理科高考第一的成绩，考入清华大学无线电系，从此与射电结下了不解之缘。

“他这个人什么都爱学，学的也很快。”“下乡”时，FAST顾问斯可克也从清华无线电系分到了南仁东所在的吉林通化无线电厂，他觉得南仁东的热情好像永远也用不完，“在工厂开模具，他学会了冲压、钣金、热处理、电镀等‘粗活’。土建、水利，他也样样都学。他甚至带领这个国企工厂的技术员与吉林大学合作，生产出我国第一代电子计算器。”

▲1978年吉林通化无线电厂技术科合影（前左3：南仁东）

因为喜欢仰望苍穹，南仁东报考了中科院研究生，从此在天文领域“一发不可收拾”。上世纪八十年代，南仁东使用国际甚长基线网对活动星系核进行系统观测研究，在这一领域的早期发展阶段，主持完成欧洲及全球网 10 余次观测，首次在国际上应用 VLBI“快照”模式，取得了丰富的天体物理成果。

1993年，日本东京召开国际无线电科学联盟大会。科学家们提出，在全球电波环境彻底恶化之前，建造新一代射电望远镜，接收更多来自外太空的信号。

“咱们也建一个吧。”国际上提出要建平方公里望远镜，时任中国科学院北京天文台副台长的南仁东则和几位同仁提出一个大胆的方案——在中国建造直径500米、世界最大单口径射电望远镜。

当时，中国最大的射电望远镜口径不足30米。而美国于 1974 年扩建的阿雷西博望远镜直径是 305米，德国波恩建成于 1972 年的埃菲尔斯伯格射电望远镜 , 其抛物面天线直径也达到100 米。

从这样一句话开始，南仁东把自己与FAST牢牢绑在了一起。

宁可少活二十年也要拿下中国天眼

南仁东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，他创作了一幅油画《富士山》，至今仍挂在该校教学楼的大厅里。

水平不输专业水准的南仁东对美是有偏爱的。“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’。”FAST工程副经理兼办公室主任张蜀新回忆中的南仁东，永远是个“讲究人”，做PPT都要求“完美”到被项目乙方认为是请专业公司做的。有时候回到校园给研究生上课，他还会穿着花衬衫和牛仔裤。

然而，为了选出合适的FAST台址，这个“讲究人”毅然跳上了从北京到贵州的绿皮火车，走遍了大山里的上百个窝凼。乱石密布的喀斯特石山里，不少地方连路都没有，只能从石头缝间的灌木丛中，深一脚、浅一脚地挪过去。从1994年到2006年，南仁东用12年时间，终于找到了自己心目中“最独一无二的洼地”。

▲南仁东（右一）选址阶段考察大窝凼

2007年，FAST正式立项，南仁东的眉头似乎皱的更紧了。在FAST馈源舱系统负责人姚蕊和南仁东的学生孙京海印象中，他总是窝在椅子上，盯着电脑屏幕，抽着烟，长时间保持沉思的姿势。

“他总是说，FAST寿命有30年，相当于使用1天国家要投入投11万，如因为工作失误，停用一天，损失11万。这个担子一直压在心上。”斯可克谈道，“他为这个项目起名叫FAST，就是希望这个项目一定要快一点！再快一点！让中国快一点探索宇宙！”

然而，巨型望远镜的建造涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科领域，在从设计到制造到安装，国内外均没有任何相关经验可以借鉴的情况下，FAST的建造可谓困难重重。

南仁东盯着环节中每个问题过问、帮助、提供建议，生怕哪儿出了错。

整个工程中，他既能上钢架去拧螺丝，也能用扁铲去削平钢材，还能在山上打孔套丝，更能看图、看示波器调整设备……所有人提起他都是敬佩。

2014 年，FAST反射面单元即将吊装，年近七旬的南仁东坚持自己第一个上，亲自进行“小飞人”载人试验。这个试验需要用简易装置把人吊起来，送到6米高的试验节点盘。在高空中无落脚之地，全程需手动操作，稍有不慎，就有可能摔下来。从高空下来，南仁东的衣服被汗水浸透了，但他发现了试验中的几个问题。

在他的带领下，团队经历了一次次失败—认识—修改—完善，不断创新工程概念，在贵州喀斯特洼地内铺设口径为500 米的主动反射面球冠，通过主动控制在观测方向形成300米口径瞬时抛物面；采用光机电一体化技术，自主提出轻型索拖动馈源平台和并联机器人，实现望远镜接收机的高精度指向跟踪，并将万吨平台降至几十吨！

“我们现场比较怕电磁干扰，因为我们接收的是很微弱的宇宙电磁波信号。所以我们现场的一些信号都是用光来传输的。因为现场最开始都是用电的，所以要把电变成光。现场通讯需要由4000多根光缆构成的光网络。”FAST所需的光电转换设备是巨量的。面对这样的情况，斯可克利用信息网络概念，引入了分光器，成功将光电转换设备数量减少了八分之七，极大降低望远镜建设成本。

▲斯可克

2016年9月25日，FAST项目完工，南仁东终于拿下了“中国天眼”。习近平总书记在贺信上写到：“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。”

让“目光”远及宇宙

如果说主动反射面球冠相当于人的眼眶，那馈源舱系统就是眼眸，目光所及是百亿万光年外的风景。

如何让“眼眸”在距离反射面板140米以上的高空按照预定轨迹移动，精准接收微弱的射电信号？轻型索拖动结构和并联机器人功不可没，前者负责方位“一次调整”，后者负责方位“二次精准调整”。

2005年，还在清华精仪系攻读研究生的姚蕊接触到了FAST项目，负责馈源支撑系统中并联机器人的研究。博士毕业后，作为项目负责人，从论证、建模、实验、安装，到如今的调试维护，她让这颗眼眸动了起来。

“相当于六根很长的柔性筷子，支撑一个可能比乒乓球还小的东西，并带着它稳定地运动，误差控制在均方根10毫米。”姚蕊说道。

▲姚蕊在项目现场

虽然并联机器人的研究已经有很多积累，但是如此实现刚柔结合还是世界的第一例。姚蕊和FAST团队从零开始，建造相似模型，反复验证，创造了独一无二的馈源定位方式。“这是我们完全自主设计的刚柔结合的控制。对于大尺度的一些结构和机构设计来讲，是非常具有指导意义和独特性的。”

除了研究方面无先例可循，实际与理论的差距是姚蕊面临的另一个困难。用她自己的话来说，“研究是从点到面，而负责工程是全面、全方位”，小到技术指标分解，大到签订千万的合同。这对当时年仅30岁的姚蕊来说，是压力，更是激励，促使她不断学习和积累。

在这方面，姚蕊最服气的还是南仁东。“南老师对各方面知识，包括天文、机械、力学等都有所涉猎，感觉好像没有他不懂的。最重要的是他一直在学，一些基础图纸他都要拿来看一看。”姚蕊觉得南仁东很像“老工程师”，“有能力、有创新，非常认真，甚至有点较真。”

在姚蕊心中，南仁东不仅仅是一个领导或老师，更像一个关心自己的长辈。“南老师其实是个很温和的人，可能因为我是团队里为数不多的女性，感受和其他人不太一样。虽然，我第一次在研究生的讨论会上见南老师也觉得他很严肃的。”

如今，姚蕊已经在FAST工作了12年之余。“我的所有工作都是围绕着它展开，包括我的研究工作。它见证了我从学生时期到现在的成长历程。如果用个数字来衡量它在我生活和工作中的比重，应该是百分之百。”

让FAST成为一台好用的望远镜

2005年从清华本科毕业后，孙京海就来到了国家天文台，开始望远镜馈源支撑系统的控制研究。

控制系统的作用实际上相当于汽车的传动和转向。馈源支撑17根轴，主动反射面2200根轴，孙京海需要在0.5秒到0.2秒内，同时协调控制2217根轴，使其按照要求运动并控制每一个部件的精度，将误差减低到亚毫米级别。工作量是其他望远镜的上千倍，难度可想而知。

“每天都会有新问题冒出来，然后抓紧时间去把这些所有发现的问题都解决掉。”这就是孙京海的日常工作状态。从师从南仁东开始，负责馈源支撑系统控制方面的研究，到工程实施阶段，负责望远镜防雷系统的开发和实施，以及馈源支撑系统的电磁屏蔽方案的制定，再到控制系统的调试和维护，孙京海的困难时时刻刻都在有，“因为这是从无到有的过程”。

但孙京海很少会因此郁闷崩溃。“我觉得这与个人性格和清华对我的培养都有关系。我喜欢去发现问题，并且解决问题。解决的过程是很有乐趣，也很有成就感的一件事。”孙京海说，“南老师就是我很好的榜样。他很认真，学习能力很强，能迅速进入一个新的领域，是个很全能的人。我觉得这也是清华人的一个特点——永远在学习。”

▲孙京海

一路走来，南仁东的探索精神和对理想的执著深深影响着孙京海。“我一开始进入团队只是因为对天文学科的兴趣和自身专业的结合。但是在项目实施过程中，每天看着南老师废寝忘食地努力，为了实现让我们也有自己的望远镜、有最好的望远镜的理想，我和团队的成员们也深受鼓舞。”孙京海希望让FAST成为一台好用的望远镜，产生更多的天文成果。“现在，虽然南老师走了，但是我们剩下的人依然朝着目标在努力。”