在首都北京，提起動物園，人們的腦海里呈現(xiàn)的不是大小動物，就是服裝批發(fā)，但就在人流終日熙熙攘攘之地，還座落著一處可以仰望星空的所在——北京天文館，在這座建成于1957年，至今仍是中國唯一天文館中，刻畫宇宙，展現(xiàn)宏偉天象的鎮(zhèn)館之寶當屬其主廳中的大型天象儀。
而就在這“巡天之地”，從上世紀七、八十年代到新世紀初，在31年的時間里，為全國兩千萬人展示宇宙萬象的是一道來自北理工的璀璨之光，這就有北京工業(yè)學院（現(xiàn)北京理工大學）牽頭設(shè)計制造的中國第一臺大型天象儀。這臺飽含著京工人心血，集全國之力制造的大型天象儀，不僅填補了我國在這一領(lǐng)域的空白，其在光學、機械、控制和天文等領(lǐng)域體現(xiàn)的綜合技術(shù)水平，成為我國光學儀器科研領(lǐng)域的標志性成就，也成為北京理工大學歷史上耀眼的“新中國第一”系列科技成果之一。
“我們要在宇宙空間占一個位置”，100天創(chuàng)造“中國第一”
大型天象儀是用于演示人造星空的天文儀器，通過紛繁復(fù)雜光學系統(tǒng)、精巧的機械運動機構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對宇宙星空的科學直觀再現(xiàn)，可謂是世界上最復(fù)雜的大型光學儀器之一，在二十一世紀的今天也只有德、中、美和日等少數(shù)國家具有按照需要定制生產(chǎn)的技術(shù)與能力。
在科學技術(shù)總體還欠發(fā)的的上世紀50年代，全世界只有德國蔡司光學儀器廠具備設(shè)計制造能力，而同樣的年代，北京工業(yè)學院儀器系的師生們卻用100天的時間，獨立研制出了新中國第一臺大型天象儀，創(chuàng)造了一個中國科技史上的奇跡。
將時間拉回到1958年，社會的全新面貌，感動著全體中國人，于是每逢國慶，“向國慶獻禮”就成為愛國情懷的真實表達。為了向58年國慶獻禮，北京工業(yè)學院各系師生也都立足專業(yè)，掀起了科技成果創(chuàng)新創(chuàng)造的高潮。
在這個背景下，學校儀器系的師生也在思索用什么樣的科研成果，才能完成向國慶獻禮的目標，并且這份“大禮”還要能體現(xiàn)學校儀器方面的研究實力，最終，他們將目光鎖定“大型天象儀”。
選擇這個項目也并非偶然，1957年，北京天文館落成，足不出戶就能辨析宇宙星空，不僅在普通百姓中引起轟動，也吸引了相關(guān)科研人員的關(guān)注。天文館的核心就是大型天象儀，北京天文館裝備了一臺東德生產(chǎn)的蔡司天象儀，這臺高水平的天文設(shè)備，給京工師生留下了深刻印象。“我們要在宇宙空間占一個位置”，這是當時京工師生最響亮的口號，在這個昂揚的年代，面對國慶獻禮任務(wù)，儀器系師生決心挑戰(zhàn)大型天象儀這個世界上最復(fù)雜的光學儀器。
目標明確，儀器系上下滿懷強烈愛國熱情，在時任系黨支部書記馬志清的帶領(lǐng)下，由青年教師為骨干，帶領(lǐng)8531班全體應(yīng)屆畢業(yè)生以及低年級學生一百多人，“白手起家”，在僅有大型天象儀粗淺的直觀認識的情況下，從天文基本知識和天象儀的基本原理入手，展開了一場轟轟烈烈的大科研和大學習“運動”。
然而，在實際研究過程中，師生們所面臨的挑戰(zhàn)卻是不可想象的，例如為了完成光學系統(tǒng)的大量計算，在缺乏計算設(shè)備的情況下，只能“人海戰(zhàn)術(shù)”，全系師生用對數(shù)表來進行手工計算。“系里7月1日召開‘誓師大會’，決定研制大型天象儀向國慶獻禮。同學們更是豪情滿懷地打出了“踏破千重山，闖過萬道關(guān)，立下青云志，造出人造天”的大標語！我們只有僅僅三個月的時間。由于時間緊、任務(wù)重，大家紛紛將鋪蓋搬到實驗室，真正是廢寢忘食。有時開現(xiàn)場會議，同志們站著就會睡著，卻沒有一人有怨言。”1958年，參與大型天象儀設(shè)計光電學院退休教師伍少昊回憶說。
在北京天文館支持下，北京工業(yè)學院儀器系師生從1958年7月到1958年10月，用三個月成功研制出新中國第一臺大型天象儀原理樣機，并在北京天文館進行了演示，引起了社會各界的廣泛關(guān)注。“當時民主德國大使館等一批外賓也聞訊趕來參觀，散場后認真考察了我們的儀器，對我們?nèi)齻€月的研究成果感到十分的震驚。”回憶當時的場景，伍少昊依然歷歷在目。1959年1月《人民畫報》還將“大型天象儀”作為新年首期的封面。1958年的首臺大型天象儀原理樣機雖然在研制水平上還尚顯稚嫩，性能也未能達到實際使用要求，但卻是中國人獨立自主的完成了對大型天象儀整套技術(shù)體系的探索與實踐，成功填補了該領(lǐng)域空白，實現(xiàn)了從無到有的歷史突破。
天象儀“三兄弟”，從“日心”到“地心”的原始創(chuàng)新
雖然1958年研制的首臺大型天象儀實現(xiàn)了對天象儀工作原理和系統(tǒng)的探索與驗證，但性能尚達不到實際運行要求，距離國外產(chǎn)品差距更是十分巨大。此時，一個問題擺在了儀器系師生的面前，大型天象儀研制是就此止步，還是繼續(xù)向更高水平的發(fā)起沖擊？同一時期，一批相同的國慶獻禮項目，也因為種種原因止步。天象儀作為一種科學演示儀器，社會應(yīng)用前景并不明朗，研制需要的成本也著實不低，在師生中產(chǎn)生了項目是否繼續(xù)的不同看法。
何去何從的關(guān)鍵階段，院系領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過反復(fù)研究和討論，統(tǒng)一了思想認識，大型天象儀的研究開展，不應(yīng)該完全從設(shè)備研制的角度來看待，應(yīng)該看到其潛在價值，大型天象儀涉及儀器設(shè)備領(lǐng)域的多種技術(shù)應(yīng)用，深入研究有利于推動整個學科的建設(shè)與發(fā)展，甚至帶動其他專業(yè)研究水平的提升。1959年，在學院的有力支持下，將天象儀項目改由院工廠和儀器系共同承擔。并制定了第二階段三臺大型天象儀的研制計劃，隨即拉開了六十年代天象儀“三兄弟”的研制大幕，并將實現(xiàn)天象儀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和高精度運行作為研制目標。
天象儀的英文名稱Planetarium直譯“行星儀”，其技術(shù)的核心就是對太陽系天體的視運動進行模擬，由于天體的視運動規(guī)律及其復(fù)雜，尤其是月亮受到的攝動干擾很多。國外所有天象儀采用的“日心模擬”方案精度不高，導(dǎo)致太陽系天體存在1度到6度不等的原理誤差。圍繞提高模擬精度，儀器系師生廣泛調(diào)研，大膽探索，創(chuàng)造出天象儀運行的“太陽系地心模擬方案”，使得研制工作取得重大突破。“理論方案上的革命性創(chuàng)新，使國產(chǎn)天象儀根本區(qū)別于世界上一切采用‘日心’模擬方案的天象儀而獨樹一幟。但這也就意味著我們的研制工作無可仿制，從一開始就只能走獨立自主、自力更生的創(chuàng)新之路”，伍少昊介紹說。
雖然，新設(shè)計原理的誕生令人歡欣鼓舞，但是在技術(shù)實現(xiàn)方面，困難依然重重，陸續(xù)研制出的三臺天象儀，還是不能充分發(fā)揮新模擬方案的優(yōu)點，整體技術(shù)依然沒有到達預(yù)期水平。1962年7月25日，時任北京工業(yè)學院院長的魏思文中將，親自召開了專門會議，成立了由院工廠和儀器系主要負責人共同牽頭的工作組，并專門調(diào)派了談天民同志擔任組長，細致地梳理了研制工作中的各種問題。首先集中力量開展一系列專項技術(shù)實驗，深入剖析了德國蔡司天象儀的技術(shù)特性，取得大量第一手資料。在豐富實踐的基礎(chǔ)上徹底解決了設(shè)計和工藝中存在的問題，再次對天象儀的“太陽系機構(gòu)”進行第三次全面改進后，終于在1965年春研制出性能相當出色的天象儀樣機，實現(xiàn)了預(yù)期的研究目標。
在這一階段，在并無上級要求的情況下，北京工業(yè)學院自己組織力量對大型天象儀進行艱苦攻關(guān)，直接推動了儀器系在教學科研上的整體水平的提升，同時也確立了相關(guān)領(lǐng)域在全國的領(lǐng)先地位，天象儀“三兄弟”雖為“三胞胎，卻每一臺都有改進、都承擔了不同的試驗任務(wù)，最后終于“修成正果”，其承前啟后的意義不同凡響。
機會只給有準備的人，借助國家力量，打造世界領(lǐng)先水平
雖然，1965年的天象儀達到了實際使用水平，但是仍然是停留在實驗室中的實驗設(shè)備，始終無緣真正投入實踐。然而，機會總是給有準備的人，1973年，國家決定要開發(fā)能反映中國古代天文學成就的國產(chǎn)大型天象儀。環(huán)顧全國，這個任務(wù)當仁不讓地落在了在該領(lǐng)域擁有傲人實力的北京工業(yè)學院。
1973年，根據(jù)國家計委、科學院下達的任務(wù)，由北京工業(yè)學院牽頭，組織北京光學儀器廠、北京電源設(shè)備廠和北京天文館，開展大協(xié)作，調(diào)集全國資源，開始了國產(chǎn)大型天象儀的會戰(zhàn)。北京工業(yè)學院在天象儀領(lǐng)域的研究實力得以充分發(fā)揮，在1965年第三輪樣機的研制基礎(chǔ)上，又進行了創(chuàng)新設(shè)計，于1976年設(shè)計制造了出具有國際領(lǐng)先水平的大型天象儀，并正式在北京天文館組裝，應(yīng)用實際演示。這臺天象儀也是新中國第一臺正式實際投入使用的大型天象儀。
這臺大型天象儀主機高5米，重3噸，包含20多類共200多套光學系統(tǒng)，由2000多種近4萬個專用零件組成，與主機配套的還有9大附屬儀器，由7臺電動機驅(qū)動，能作周日，周年，歲差，極高，地平，地經(jīng)，赤經(jīng)7項運動。傳動系統(tǒng)由200多個齒輪通過差動器的交互偶合，以實現(xiàn)各種天文運動。全部齒輪系速比都按天文數(shù)據(jù)，精確到8位以上有效數(shù)字。“像這樣復(fù)雜的系統(tǒng)不經(jīng)過幾輪扎扎實實的刻苦攻關(guān)，想僥幸讓它正常地運轉(zhuǎn)起來是不可能的”伍少昊在談及1976年天象儀的時候如是說。
迄今為止，這臺天象儀的精度依然是所有光學-機械式天象儀中最高的，其許多原始創(chuàng)新之處，還大大提高了表演效果。值得一提的是，在文革結(jié)束之后，八年間，因政治出身撤換之聲不絕，正是憑借八年出色穩(wěn)定的運行，才得以避免。1984年7月，在北京市科委組織的鑒定會上，實測了從1900-2000共100年間的天體運行精度，國產(chǎn)天象儀日、月、行星的實際誤差，全部小于國外天象儀的原理誤差，凸顯了“地心布局”的優(yōu)越性。光學泰斗王大珩在鑒定書中對大型天象儀給予高度評價，“認為在放映內(nèi)容上具有明顯的中國特色，在太陽系機構(gòu)上采用與國外不同的獨特設(shè)計，消除了某些原理誤差，是成功的、有創(chuàng)造性的…體現(xiàn)了我國設(shè)計人員的高設(shè)計水平”。1985年,大型天象儀獲北京市科技進步一等獎、國家科技進步二等獎。
1976年至2007年，這臺大型天象儀在北京天文館連續(xù)服役31年，接待了2000多萬觀眾，成為一代人的集體記憶。
2007年11月5日下午3點，隨著天象廳恐龍滅絕、天體碰撞最后一個鏡頭結(jié)束 ，這臺超期服役，勞苦功高的國產(chǎn)大型天象儀光榮退役，北京天文館老館傳統(tǒng)天象儀表演成為絕唱，標志著機械式天象儀正式完成了它的歷史使命。
現(xiàn)在，這臺由北京工業(yè)學院設(shè)計研制的國產(chǎn)大型天象儀已成為北京天文館的“鎮(zhèn)館之寶”，在天文館地下二層展廳永久保存展示。當你有幸看到這臺通體幽藍的“中國第一臺大型天象儀”時，請不要忘記它“MADE IN BIT”的北理品格，永遠承載著那段輝煌而難忘的“京工歲月”。
那道光，刻畫宇宙，星光璀璨！
（文章部分資料參考文獻：嚴沛然，伍少昊：《中國的天象儀》）
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