天眼之父南仁东梦想与坚守

　　天文学家的想象力
　　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（摄于2016年9月24日）
　　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。