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啃下这块让欧美都知难而退的硬骨头,值了!你知不知道这颗星有多牛

文汇教育2020-07-05 16:26:16

距离地面3.6万公里的地球静止轨道上,“风云四号”刚从太阳的炙烤中钻入地球的影子,正传回大量“中国数据”。


地面上,他们的研制者——中科院上海技术物理研究所风四载荷团队的科学家们,长长松了口气。整整15年,这群本可轻松赚高薪的年轻人,始终坚守在一个“论文少、工资少”的项目上。


是什么让他们甘愿如此坚持和付出?首席科学家华建文说,这辈子能够啃下这块让美国、欧洲都知难而退的硬骨头,值了!


风云四号A星第一幅彩色合成图像


今天,国防科工局、中国气象局联合发布了我国新一代静止轨道气象卫星风云四号获取的首批图像与数据。其中部分数据是国际气象界迫切期望使用的,除了中国的风云四号气象卫星,目前没有任何一颗在轨卫星能够提供。


在这颗卫星载荷上,有太多的世界级难题需要去挑战,早在十几年前,欧洲和美国就先后放弃了相关项目。然而,一群上海科学家们却坚持了下来。


当别人放弃时,我们坚持


“没有辐射计,就不是风四;没有探测仪,就不是中国的风四。”上海技物所副所长、探测仪主任设计师丁雷这句话所指的,是十几年前,中科院院士匡定波力排众议,支持研制干涉式大气垂直探测仪的魄力。


1997年风云二号卫星刚上天,下一代风云卫星就已开始规划。匡定波提出,应该发展干涉式大气垂直探测仪。


这种利用傅立叶变换原理的探测仪,可以为大气做“超级CT”——把大气从地面开始“切片”,将100公里大气切成上千层,测出每一层的温度、湿度等数值,为灾害性天气监视和大气化学成分探测服务。


比如,青藏高原的冷空气下沉,并流向东部,抬升那里的热空气。这个变化过程原来主要是理论推测,没有实际观测到过。探测仪获得的数据可能让人类首次真切“看”到这个过程。


中科院上海技术物理研究所干涉式大气垂直探测仪团队送正样产品出所


这是遥感领域红外光谱技术的一场革命。早先,美国、欧洲都在朝这个方向努力,但到2006年,由于技术难度过大、所需经费太多,美国放弃了,欧洲也大幅调整了计划。

  

中国要不要继续?

  

2001年回国来到技物所的华建文,在2005年底已带领团队调出了红外干涉信号,原理样机初步成功。匡定波说:“尽管这块骨头很难啃,但只要把仪器送上天,就是迈出成功的第一步。”

  

国际同行公认,探测仪“切片数”达到1000,是衡量探测质量的分水岭。“我们非但要做,而且把目标定在了1500层,这几乎是一个梦想数值。”丁雷说,既然要啃硬骨头,就挑最难的尝试。


大气辐射亮温垂直分布图


如今,当中国的探测仪开始提供全球独家的数据时,美国的研发队伍尚未重新聚集,欧洲的仪器还要等到2022年才能发射升空。

  

“当别人放弃时,我们坚持;做成功了,就领先世界。”华建文说,过去中国向国外卫星要数据,现在是国际气象界迫切需要中国的卫星数据了。


为一颗星做一辈子,我愿意


与1997年升空的风云二号相比,风云四号的多通道扫描成像辐射计也实现了技术的代际跨越。


它每15分钟就可以对地球圆盘扫描成像一次,还新增高速区域扫描功能,能以最快30秒获取一张图的速度,对100万平方公里范围进行多光谱密集观测。


它采用不同于以往自旋方式的架构,这需要仪器能够适应极大的温差变化。项目主任设计师王淦泉说,这是世界级难题,欧洲空间局就因为该设计难度太大而未敢在业务气象卫星上尝试。


仪器的每一组镜头都由40多个镜片组成,它们的变形误差必须小于1微米。即使在地面上,一阵轻风吹过或在旁边打个手机,都会影响它的精度。


上海技物所的科研人员对仪器进行了巧妙热结构设计,主动温控精度可以达到士0.1℃,能在-130℃到150℃的剧烈温差下稳定工作。


成像辐射计的扫描机构瞄准拍摄点的精度有多高?主任设计师王淦泉这样说:

相隔一个足球场的距离,在一边放上成排的1万枚针孔仅0.04平方毫米的细针,在另一边用扫描机构的镜子反射激光穿过小孔,可以准确穿过9997个。


风云四号A星第一套图像(14通道)


无法检测校准,又怎知仪器是否达标?为了精确评价扫描镜的这个精度指标,王淦泉整整想了12年。


2014年的一天,他偶然看到资料,有一种设备可以达到在千分之一秒内测出0.1角秒的误差。可国内只有一两家单位可能具备这种技术,但精度能否满足扫描镜的测试需求,却是未知。

 

他花了一年多时间,往返于北京、西安等地,不断与相关科研人员沟通,促成对设备的改进,终于做出了可以检测扫描镜动态精度检测的仪器。



中科院上海技术物理研究所多通道扫描成像辐射计团队送正样产品出所


面对这么多从未挑战过的技术难关,漫长的研发周期考验着科研人员的定性。一般卫星的研发周期是4-6年,但具备高精度定量应用特征的气象卫星的研发周期却长达十几年。


一代气象卫星往往要先后发射好几颗,从第一颗到最后一颗上天,又有好几年,再加上在轨运行的维护任务———这辈子真的就只够做这一批星了。

  

项目推进困难重重,团队里的年轻人来了又走了,却仍有不少人一直坚持着。


探测仪团队的“元老”之一王占虎动过离开的念头,甚至还去应聘新工作,可想到做梦都想调出的第一束红外干涉信号,最后一刻还是留了下来。


“去年探测仪随风四升空,从此感觉天空中多了一个亲戚。”他说,“为一颗星做一辈子,我愿意。”


卫星载荷带民企一起“上天”


航天器能做多好,取决于一个国家的工业基础。即使科学家能够设计出最新的载荷,如果关键器件没有厂家能够加工,仍旧是画饼。


项目开始之初,研发团队就饱尝此中艰辛。根据设计要求,载荷中需要一些激光器、分光计,当时国内找不到这些器件,他们发出100多封邮件,全球寻找这些产品。可是,当外方了解到具体参数后,就回绝了技术合作的要求,或者以没有“销售许可证”为由,不愿卖产品。


自己设计,自己研制,他们开始在国内寻找合作企业。


2016年12月11日,搭载风云四号卫星的运载火箭在西昌卫星发射中心点火升空


有一种名叫铝基碳化硅的材料,跟铝一样轻,热胀冷缩形变又小,导热性能还特别好,但比铝硬3倍,非常适合做风云四号这种热环境复杂、轻量化程度要求高的卫星载荷的结构件。可由于加工困难,一直没用上。

  

2009年,国内终于有企业能够加工这种材料。他们马上找到这家企业,和它一起改进技术,最终研制出了国内首套铝基碳化硅扫描机构框架,并成功应用在两台载荷中。现在,这个行业已面对国内广泛的应用。


感应同步器中的码盘是关键部件,扫描仪和探测仪能够实现高精度“指哪打哪”,它起着举足轻重的作用。达到航天要求的产品,国际上也只有一两家能做,一听说产品精度这么高,他们都一口回绝。


最后,科研人员辗转在常熟找到了一家民营企业。这家厂的主人,退休前是昆明机械厂的总工程师,曾参与过国家组织的相关产品的研发。


不过,这家民企研制航天高可靠产品的经验不足。研制人员几乎手把手帮着解决可靠性问题,最终研制出了满足航天要求的国内最高精度的感应同步器。


碳纤维编织材料、特种检测设备、长寿命高性能润滑脂……15年,风四团队通过项目,带动了多家民营企业技术升级。“尽管民企没有航天产品的管理体系,质量跟踪非常累。”华建文说,“但看到自己的技术和业务引导,让这些行业得到改变,这种成就与满足感,不亚于卫星上天。”



风云四号:新一代地球静止轨道气象卫星


风云四号是我国航天科技自主创新的新成就,实现了多项重大技术突破。


一是将4台遥感仪器安装在一个卫星平台上,成功解决了多仪器同时工作所产生相互干扰的问题,利用一颗卫星实现了多种功能,极大节省了研制成本。


二是世界上首次实现了静止轨道高光谱大气垂直观测,可进行高频次、高精度垂直大气观测,获取大气温湿结构信息,将有力推动天气预报准确率和精细化水平的提高。


三是自主突破了静止轨道三轴稳定平台的图像导航配准技术,使得图像定位精度达到国际一流水平。


四是首次实现了我国静止轨道闪电成像观测,可对我国及周边区域闪电每秒拍摄500张照片,为强对流天气的监测和跟踪提供全新的观测手段,将提高对雷电和暴雨等灾害的监测预警水平。


此外,空间天气探测通道数量和探测要素大幅增加,精度显著提高,将进一步增强我国空间天气监测能力。


风云四号卫星


国防科工局、中国气象局正在按计划组织有关单位开展卫星在轨测试,计划今年6月-7月份交付使用。


经过40多年的发展,我国气象卫星及应用取得了举世瞩目的成就。迄今为止,我国已成功发射了15颗气象卫星,其中8颗卫星在轨运行,实现了气象卫星业务化和系列化,成为世界上少数几个同时拥有极轨和静止轨道气象卫星的国家。


编辑:许琦敏



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