黨建與創新文化

2.16米天文望遠鏡折軸系統的誕生

  蘇定強  天文學家、中國科學院院士。1936年6月生于上海,原籍江蘇武進。1959年畢業于南京大學天文系?,F任中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所研究員,國際天文學聯合會(IAU)第9委員會(天文儀器與技術)主席。在大望遠鏡光學系統的研究中,提出了一系列新的折軸系統和透棱鏡改正器,在國際上受到了高度評價,并已在國內外的一些天文望遠鏡中得到應用;和王亞男研究員共同建立了一個有自己特色的光學系統優化程序,自1972年以來應用于我國天文光學系統的設計之中;與王綬琯院士共同提出了大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡(LAMOST)的初步方案,作為國家大科學工程之一現正在研制中;他領導研制成我國第一個雙折射濾光器、第一個主動光學實驗系統。曾獲國家科技進步獎一等獎1次,國家自然科學獎二等獎1次,中國科學院獎4次,均為第一獲獎人。1999年獲何梁何利科技進步獎。
  眾所周知,天文學是一門以觀測為基礎的科學,觀測手段、技術和方法的改進常常是天文學發現和重大突破的先導。因此天文新技術和新方法的研究歷來是天文學中的一個重要組成部分。2.16米天文望遠鏡被譽為中國天文學發展史上一個里程碑,是我國自行研制的、迄今為止國內最大、也是遠東最大的光學望遠鏡,第一完成人正是蘇定強院士。
自20世紀60年代起,從南京大學天文系畢業不久的蘇定強便作為中國科學院南京天文儀器廠的年輕科技骨干,積極地投入到了2.16米天文望遠鏡的研制工作之中。折軸系統是天文望遠鏡中三個主要的光學系統之一,傳統天文望遠鏡的折軸系統和卡塞格林系統使用不同的副鏡,轉換時需要更換,這不僅增加了機械結構的復雜性,更嚴重的是往往降低了光學系統準直的精度,使像質變壞,有些機構轉換時還要花去不少時間。為了使卡塞格林系統和折軸系統間的轉換更簡單、更精確和更快,當時年僅30歲的蘇定強在考慮2.16米天文望遠鏡總體方案時沒有被傳統的思維所束縛,而是突破原有的框框,提出:有沒有可能不更換副鏡(即折軸系統與卡塞格林系統共用同一個副鏡)來獲得折軸系統?他在1966年召開的2.16米天文望遠鏡上海會議上報告了這些工作,這是蘇定強在折軸系統的設計上走出的第一步。這個折軸系統雖有轉換時能保持更好的準直、結構簡單、轉換快、大鏡面減少等優點,但同時也存在缺點,如:或增加的光學元件較多光量損失增加,或者由于有折射元件波段受限制和有色差,或加工難度較大,或視場太小等。蘇定強本人并不十分滿意。后由于文化大革命,2.16米天文望遠鏡的研制工作不久即陷于停頓。
  1972年2.16米天文望遠鏡的研制工作恢復后,蘇定強又重新來考慮折軸系統,在原有的思路上經過反復的思考,蘇定強于1972年6月提出了一種更好的折軸系統,即不更換副鏡,而是僅在極軸上端增加一塊橢球面鏡(中繼鏡)。由于這種折軸系統中沒有任何折射元件,只增加一塊反射鏡,它的加工又沒有困難,而卻能避免傳統折軸系統由于轉換副鏡帶來的一系列問題,于是2.16米天文望遠鏡就決定采用這樣的折軸系統。這是蘇定強在折軸系統的設計上走出的第二步。1973年負責機械設計的同志對折軸系統提出了一些結構上的限制,光學系統不得不做相應修改。蘇定強工作十分仔細,他注意到改動前后彗差的符號變了,蘇定強憑借其對數學知識理解的敏銳性,立即意識到:這中間應當存在一個彗差為零(即消去彗差)的解(結構),蘇定強很快就找到了這個解,這是蘇定強在折軸系統的創新上走出的第三步。后來機械上的限制取消了,2.16米天文望遠鏡就采用了蘇定強提出的這種既不需要更換副鏡且能夠同時消去球差和彗差的折軸系統。具體說同時消去球差和彗差是這樣來實現的:轉換時將副鏡做小量平移(在2.16米天文望遠鏡上約11mm),同時將中繼鏡面形取為適當的扁球面,這是一種巧妙的安排,這樣的折軸系統有極佳的像質,當時2.16米天文望遠鏡設計任務書上定的設計指標為視場直徑5′,星像能量的75%集中在0.5″內,這也是傳統折軸系統的像質,而采用了這種新的折軸系統設計結果為星像能量的100%集中在0.1″內,且星像為對稱的橢圓形(傳統折軸系統為不對稱的彗差形),遠優于設計任務書的要求,也遠優于傳統的折軸系統。蘇定強的這一創新思想得到了國際上的高度好評。1977年10月,以第15屆國際天文學聯合會主席、美國基特峰國家天文臺臺長L.Goldberg為首,由包括6位美國科學院院士在內的10位美國著名天文學家組成的考察組訪問中國時,盛贊蘇定強提出的2.16米天文望遠鏡采取單副鏡的設計是“世界上最優秀最獨特的設計”,并且認為,這一設計思想今后將被世界其他國家所效仿;1979年9月,國際著名天文光學家、美國基特峰國家天文臺第一任臺長、曾任美國光學學會主席的A.B.Meinel教授訪華時,高度評價了2.16米天文望遠鏡折軸系統的設計,并且以介紹2.16米天文望遠鏡光學系統文章的三位作者蘇定強、俞新木、周必方姓的第一個字母SYZ命名了這種折軸系統中的中繼鏡,此后,在他提出的4m、10m、15m望遠鏡方案中都采用了SYZ中繼鏡;歐洲南方天文臺(ESO)從20世紀80年代開始研制VLT——由4個8米望遠鏡組成的陣,其中的每個8米望遠鏡都采用了與2.16米天文望遠鏡相似的共用副鏡和采用中繼鏡的折軸系統。
 
 
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