顧伯忠：鑄造利器追星逐日

興隆、撫仙湖、南極都有一個充滿神秘感的天文基地，基地里屹立著郭守敬望遠鏡（LAMOST）、一米紅外真空太陽望遠鏡、南極AST3巡天望遠鏡……

說起這些望遠鏡，中國科學院南京天文光學技術研究所（以下簡稱南京天光所）研究員顧伯忠如數家珍，因為他曾先后參與了這些望遠鏡的研制工作。

2000年至今，顧伯忠數十年如一日，長期堅持在科研一線工作，從事天文望遠鏡總體及機械結構的研究，成為我國天文儀器結構領域的主要學術帶頭人之一。

“我手里還有幾個正在做的望遠鏡項目，比如南京大學2.5米大視場高分辨率望遠鏡、14.5米光學紅外望遠鏡等，等我把這些項目都干完了，應該就可以踏實退休了。”日前，顧伯忠在接受《中國科學報》采訪時感嘆道，“干了幾十年望遠鏡工程，還真有點舍不得！”

顧伯忠在調試2.5米大視場高分辨率望遠鏡。 受訪者供圖

LAMOST建設中第一個里程碑

“LAMOST MA機架是我承接的第一個望遠鏡大科學裝置工程任務，也是LAMOST項目中最大、最復雜的高精度機械系統。”顧伯忠告訴《中國科學報》，“2000年前，我只研制過1米的科普望遠鏡，還沒有做過6米的大望遠鏡，對我來說技術難度的跨越非常大。”

MA機架是LAMOST望遠鏡的關鍵部件，必須具備精確對準需要觀測的天體并克服地球自轉精確跟蹤天體的功能。“機架方位軸系的直徑達到8米，在項目總師的帶領下，為了尋找有研制能力的機床廠商，我們花了近兩年的時間。”顧伯忠說。

經過多方了解，武漢的一家機床企業被選入意向合作單位。顧伯忠回憶道：“因為這家企業有加工直徑達16米的數控機床，我們要做的8米直徑的圓盤結構轉臺在其能力范圍內。”

在解決了8米液壓轉臺的研制難題后，顧伯忠還提出片式端面摩擦驅動技術方案。該方案采用冷軋不銹鋼板水刀切割成型作為摩擦導軌，以簡單的加工工藝、低廉的制造成本，實現了超高精度驅動，節約了本就捉襟見肘的項目經費，解決了高度軸系驅動的技術問題。

“LAMOST MA機架采用了液壓軸承、摩擦驅動、計算機全自動控制等技術，是國內結構尺寸最大、精度最高的地平式雙軸跟蹤機架。”顧伯忠稱，他是一邊學習大型光學望遠鏡的先進技術，一邊嘗試用所學的知識解決遇到的種種技術和工藝難題。

最終，LAMOST MA機架各項技術指標均達到設計要求，其主要技術指標指向精度優于5角秒，跟蹤精度優于0.34角秒，跟星實測跟蹤精度達到了0.1角秒的超高精度，與國外8-10米望遠鏡相當。

多年后，顧伯忠回憶起LAMOST MA機架的研制過程，依然歷歷在目——2003年初完成設計并投入生產、2004年4月從武漢運抵南京開始裝配調試、2004年11月完成機械結構的裝配調試、2005年5月完成機電粗聯調工作、2005年9月運抵興隆觀測基地、2006年8月完成現場安裝和調試。

顧伯忠表示，MA機架是南京天光所承接的LAMOST項目中第一個出所前往臺址裝調的部件，這項工作成果也成為LAMOST項目建設中的第一個里程碑。

同期承接兩個望遠鏡項目

這些年來，在云南省澄江市撫仙湖畔，每天迎著太陽升起來的方向，一架位于樓頂的望遠鏡遠就會“開窗”工作。這扇“窗”來自中國科學院云南天文臺一米紅外太陽望遠鏡。

2002年，在LAMOST項目MA機架的研制工作最緊張的時候，顧伯忠還作為項目組長承接了“973”子項目——云南天文臺一米紅外太陽望遠鏡光機主體的研制任務。

為了不影響LAMOST項目的工作，接下任務的顧伯忠只能犧牲自己的休息時間來研究設計太陽望遠鏡。

“當時遇到的最大困難是每天都需要在兩個截然不同的望遠鏡項目中來回切換思維。”顧伯忠白天要考慮LAMOST項目中的技術問題，而夜晚則要轉而思考如何解決一米太陽望遠鏡中的技術問題。

在一米太陽望遠鏡研制中，顧伯忠提出逆向補償的技術方案，解決了太陽望遠鏡在復雜溫度環境下，主副鏡位置的精確定位和保持難題。他還采用“鋼帶摩擦驅動創新技術方案”成功實現了高精度跟蹤驅動，并有效降低了望遠鏡研制成本。

2010年，一米太陽望遠鏡在云南撫仙湖完成了現場安裝調試。顧伯忠自豪地介紹，這臺望遠鏡獲得的太陽光球高分辨率圖像達到目前世界上太陽望遠鏡高分辨率成像的一流水平。該望遠鏡隨后成為國際上三大太陽觀測主干設備之一，取得了豐碩的觀測成果。

據悉，一米紅外望遠鏡可以在多個波段對太陽進行多種目標的觀測，提供有關太陽活動區結構的分層數據，對太陽活動區磁場時空精細結構及演化的研究有極其重要的意義，是我國用于研究太陽劇烈活動和空間災害天氣的重要大型設備。 

關鍵零部件必須實現國產化

多年參與天文望遠鏡的研制經歷讓顧伯忠意識到，關鍵零部件必須實現國產化。他列舉了一個中法國際合作項目俄羅斯莫斯科大學2.5米望遠鏡的研制例子。

當時，國際上的天文望遠鏡跟蹤機架的驅動技術發展很快，傳統的望遠鏡傳動有皮帶傳動、渦輪蝸桿傳動、齒輪傳動、摩擦傳動等，這些傳動機構各有特點，但都有一個共性的缺點，就是傳動鏈的存在使得剛度降低；同時，傳動誤差的存在使得傳動精度受到限制，無法滿足現代大口徑天文望遠鏡越來越高的精度需要。

作為項目組長的顧伯忠決定在該望遠鏡中采用直接驅動技術，當時國內尚無應用先例。讓他下定決心的理由是：“直接驅動沒用傳動鏈，驅動剛度和驅動精度可以大幅度提升，必將成為望遠鏡跟蹤驅動的發展趨勢。”

“在實際應用中，直接驅動技術的確使得驅動剛度和驅動精度得到了大幅度提升。”顧伯忠說，“我們邊學邊用，最終掌握了直接驅動技術，使軸系驅動精度上了一個新的臺階，填補了國內望遠鏡跟蹤驅動技術的一項空白。”

另外，該望遠鏡的準直調整需要對副鏡進行空間五個自由度調整，高精度五自由度或六自由度調整機構是實現主動準直所必備的執行部件。

“當時國內沒有滿足該精度要求的產品，合作公司的貨架產品也無法滿足載荷要求，需要定制，盡管合作方推薦了備選的國外訂購公司，但那家公司在我們聯系上不久后就破產了，我們只拿到了初步的設計方案。”顧伯忠回憶道，“幸虧合同是按階段付款，損失不大，但這件事也提醒我們，向國外公司訂貨的時候，可能會出現經費和時間的雙重風險，自己能否掌握核心零部件的研制很關鍵。”

最后，顧伯忠提出適合望遠鏡副鏡準直調整需要，且易于實施、串并結合的五維運動機構技術方案，在項目團隊齊心合力攻關之后，成功完成了運動機構的研制，該運動機構不僅可以滿足這架望遠鏡的需要，還被推廣至多架其它望遠鏡上使用。

顧伯忠認為：“天文學研究依靠觀測和數據，尤其是第一手的觀測數據非常重要。為了支撐我國天文學研究，我們有責任致力于大型天文望遠鏡的研制，并且把關鍵核心技術牢牢掌握在自己手中。”