去年底發(fā)射升空的我國(guó)第二代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)A衛(wèi)星2月26日首次進(jìn)入地影,自從升空后,有效載荷就已順利開(kāi)機(jī),陸續(xù)傳回大量氣象探測(cè)數(shù)據(jù),星上設(shè)備經(jīng)受住了第一輪太空中巨大溫差變化的嚴(yán)酷考驗(yàn)。
干涉式大氣垂直探測(cè)儀是國(guó)際上第一臺(tái)在地球靜止軌道衛(wèi)星上運(yùn)行的紅外高光譜設(shè)備。據(jù)項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)師丁雷副所長(zhǎng)介紹,該儀器相當(dāng)于把實(shí)驗(yàn)室的高精度分析儀器放到了3.6萬(wàn)千米以外的軌道上,以光線干涉方式,對(duì)地面目標(biāo)實(shí)施大氣垂直分布剖面的長(zhǎng)期連續(xù)探測(cè)。在長(zhǎng)波紅外和中波紅外波段,更是可以實(shí)現(xiàn)1500個(gè)以上細(xì)分光譜的探測(cè),這相當(dāng)于給大氣做超過(guò)1500層的精細(xì)“立體CT”。它為人類(lèi)深入研究大氣對(duì)流,更精細(xì)預(yù)測(cè)災(zāi)害性天氣,提供了新的可能。
世界氣象組織空間計(jì)劃衛(wèi)星事務(wù)資深咨詢專(zhuān)家蒂爾曼·莫爾表示,風(fēng)云四號(hào)的載荷已與日本、美國(guó)、歐洲和韓國(guó)最先進(jìn)的靜止氣象衛(wèi)星水平相當(dāng),“國(guó)際氣象界都在迫切盼望使用這種新型數(shù)據(jù)”。
與1997年升空的風(fēng)云二號(hào)相比,風(fēng)云四號(hào)的多通道掃描成像輻射計(jì)也實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的代際跨越。它每15分鐘就可以對(duì)地球圓盤(pán)掃描成像一次,還新增高速區(qū)域掃描功能,能以最快30秒獲取一張圖的速度,對(duì)100萬(wàn)平方公里范圍進(jìn)行多光譜密集觀測(cè)。而且,“風(fēng)云四號(hào)采用不同于以往自旋方式的架構(gòu),這需要儀器能夠適應(yīng)極大的溫差變化。”項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)師王淦泉說(shuō),這是世界級(jí)難題,歐洲空間局就因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)難度太大而未敢在業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星上嘗試。
據(jù)悉,儀器的每一組鏡頭都由40多個(gè)鏡片組成,而它們的變形誤差必須小于1微米。即使在地面上,一陣輕風(fēng)吹過(guò)或在旁邊打個(gè)手機(jī),都會(huì)影響它的精度。上海技物所的科研人員對(duì)儀器進(jìn)行了巧妙熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主動(dòng)溫控精度可以達(dá)到士0.1℃,能在-130℃到150℃的劇烈溫差下穩(wěn)定工作。
通過(guò)近20年的努力,研發(fā)團(tuán)隊(duì)先后破解了亞秒級(jí)指向精度的碳化硅雙掃描鏡二維掃描機(jī)構(gòu)研制技術(shù)、高靈敏度面陣探測(cè)器技術(shù)、甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)技術(shù)等技術(shù)難題,填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)空白,實(shí)現(xiàn)了所有核心技術(shù)自主研發(fā),成功打造出新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星的兩只“中華慧眼”。
“中華慧眼”實(shí)現(xiàn)代際跨越
太空中,剛從太陽(yáng)的炙烤中鉆入地影,去年年底發(fā)射上天的風(fēng)云四號(hào)靜止軌道氣象衛(wèi)星上,兩臺(tái)完成代際技術(shù)跨越的儀器———新一代掃描成像輻射計(jì)、干涉式大氣垂直探測(cè)儀,經(jīng)受住了太空中巨大溫差變化的殘酷考驗(yàn),源源不斷地下傳遙感數(shù)據(jù)。
地面上,他們的研制者———中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所風(fēng)四載荷團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們,長(zhǎng)長(zhǎng)松了口氣。15年的堅(jiān)持與付出。首席科學(xué)家華建文說(shuō),這輩子能夠啃下這塊讓美國(guó)、歐洲都知難而退的硬骨頭,值了!
離地面3.6萬(wàn)公里的地球靜止軌道上,這對(duì)嶄新的“中華慧眼”正傳回大量“中國(guó)數(shù)據(jù)”。其中部分?jǐn)?shù)據(jù)是國(guó)際氣象界迫切期望使用的,除了中國(guó)的風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星,目前沒(méi)有任何一顆在軌衛(wèi)星能夠提供。
當(dāng)別人放棄時(shí),我們堅(jiān)持
“沒(méi)有輻射計(jì),就不是風(fēng)四;沒(méi)有探測(cè)儀,就不是中國(guó)的風(fēng)四。”上海技物所副所長(zhǎng)、探測(cè)儀主任設(shè)計(jì)師丁雷這句話所指的,是十幾年前,中科院院士匡定波力排眾議,支持研制干涉式大氣垂直探測(cè)儀的魄力。
1997年風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星剛上天,下一代風(fēng)云衛(wèi)星就已開(kāi)始規(guī)劃??锒úㄌ岢觯瑧?yīng)該發(fā)展干涉式大氣垂直探測(cè)儀。這種利用傅立葉變換原理的探測(cè)儀,可以為大氣做“超級(jí)CT”———把大氣從地面開(kāi)始“切片”,將100公里大氣切成上千層,測(cè)出每一層的溫度、濕度等數(shù)值,為災(zāi)害性天氣監(jiān)視和大氣化學(xué)成分探測(cè)服務(wù)。
“比如青藏高原的冷空氣下沉,并流向東部,抬升那里的熱空氣。這個(gè)變化過(guò)程原來(lái)主要是理論推測(cè),沒(méi)有實(shí)際觀測(cè)到過(guò)。”丁雷說(shuō),而探測(cè)儀獲得的數(shù)據(jù)可能讓人類(lèi)首次真切“看”到這個(gè)過(guò)程。
這是遙感領(lǐng)域紅外光譜技術(shù)的一場(chǎng)革命。早先,美國(guó)、歐洲都在朝這個(gè)方向努力,但到2006年,由于技術(shù)難度過(guò)大、所需經(jīng)費(fèi)太多,美國(guó)放棄了,歐洲也大幅調(diào)整了計(jì)劃。
中國(guó)要不要繼續(xù)?
2001年回國(guó)來(lái)到技物所的華建文,在2005年底已帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)調(diào)出了紅外干涉信號(hào),原理樣機(jī)初步成功??锒úㄕf(shuō):“盡管這塊骨頭很難啃,但只要把儀器送上天,就是邁出成功的第一步。”
國(guó)際同行公認(rèn),探測(cè)儀“切片數(shù)”達(dá)到1000,是衡量探測(cè)質(zhì)量的分水嶺。“我們非但要做,而且把目標(biāo)定在了1500層,這幾乎是一個(gè)夢(mèng)想數(shù)值。”丁雷說(shuō),既然要啃硬骨頭,就挑最難的嘗試。
如今,當(dāng)中國(guó)的探測(cè)儀開(kāi)始提供全球獨(dú)家的數(shù)據(jù)時(shí),美國(guó)的研發(fā)隊(duì)伍尚未重新聚集,歐洲的儀器還要等到2022年才能發(fā)射升空。
“當(dāng)別人放棄時(shí),我們堅(jiān)持;做成功了,就領(lǐng)先世界。”華建文說(shuō),過(guò)去中國(guó)向國(guó)外衛(wèi)星要數(shù)據(jù),現(xiàn)在是國(guó)際氣象界迫切需要中國(guó)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)了。
為一顆星做一輩子,我愿意
光譜通道從5個(gè)拓展到14個(gè);可見(jiàn)光空間分辨率從1.25千米提高到500米;地球全圓盤(pán)成像時(shí)間從30分鐘提高到15分鐘,未來(lái)還可繼續(xù)提高到5分鐘以內(nèi)……隨風(fēng)云四號(hào)上天的掃描輻射計(jì),與風(fēng)云二號(hào)上的儀器相比,實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的代際跨越。
成像輻射計(jì)的掃描機(jī)構(gòu)瞄準(zhǔn)拍攝點(diǎn)的精度有多高?主任設(shè)計(jì)師王淦泉說(shuō),相隔一個(gè)足球場(chǎng)的距離,在一邊放上成排的1萬(wàn)枚針孔僅0.04平方毫米的細(xì)針,在另一邊用掃描機(jī)構(gòu)的鏡子反射激光穿過(guò)小孔,可以準(zhǔn)確穿過(guò)9997個(gè)。
為了精確評(píng)價(jià)掃描鏡的這個(gè)精度指標(biāo),王淦泉整整想了12年。無(wú)法檢測(cè)校準(zhǔn),又怎知儀器是否達(dá)標(biāo)?2014年的一天,他偶然看到資料,有一種設(shè)備可以達(dá)到在千分之一秒內(nèi)測(cè)出0.1角秒的誤差??蓢?guó)內(nèi)只有一兩家單位可能具備這種技術(shù),但精度能否滿足掃描鏡的測(cè)試需求,卻是未知。
他花了一年多時(shí)間,往返于北京、西安等地,不斷與相關(guān)科研人員溝通,促成對(duì)設(shè)備的改進(jìn),終于做出了可以檢測(cè)掃描鏡動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)的儀器。
面對(duì)這么多從未挑戰(zhàn)過(guò)的技術(shù)難關(guān),漫長(zhǎng)的研發(fā)周期考驗(yàn)著科研人員的定性。一般衛(wèi)星的研發(fā)周期是4-6年,但具備高精度定量應(yīng)用特征的氣象衛(wèi)星的研發(fā)周期卻長(zhǎng)達(dá)十幾年。一代氣象衛(wèi)星往往要先后發(fā)射好幾顆,從第一顆到最后一顆上天,又有好幾年,再加上在軌運(yùn)行的維護(hù)任務(wù)———這輩子真的就只夠做這一批星了。
項(xiàng)目推進(jìn)困難重重,團(tuán)隊(duì)里的年輕人來(lái)了又走了,卻仍有不少人一直堅(jiān)持著。探測(cè)儀團(tuán)隊(duì)的“元老”之一王占虎動(dòng)過(guò)離開(kāi)的念頭,甚至還去應(yīng)聘新工作,可想到做夢(mèng)都想調(diào)出的第一束紅外干涉信號(hào),最后一刻還是留了下來(lái)。“去年探測(cè)儀隨風(fēng)四升空,從此感覺(jué)天空中多了一個(gè)親戚。”他說(shuō),“為一顆星做一輩子,我愿意。”
衛(wèi)星載荷帶民企一起“上天”
航天器能做多好,取決于一個(gè)國(guó)家的工業(yè)基礎(chǔ)。即使科學(xué)家能夠設(shè)計(jì)出最新的載荷,如果關(guān)鍵器件沒(méi)有廠家能夠加工,仍舊是畫(huà)餅。
項(xiàng)目開(kāi)始之初,研發(fā)團(tuán)隊(duì)就飽嘗此中艱辛。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,載荷中需要一些激光器、分光計(jì),當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)找不到這些器件,他們發(fā)出100多封郵件,全球?qū)ふ疫@些產(chǎn)品??墒?,當(dāng)外方了解到具體參數(shù)后,就回絕了技術(shù)合作的要求,或者以沒(méi)有“銷(xiāo)售許可證”為由,不愿賣(mài)產(chǎn)品。
自己設(shè)計(jì),自己研制,他們開(kāi)始在國(guó)內(nèi)尋找合作企業(yè)。有一種名叫鋁基碳化硅的材料,跟鋁一樣輕,熱脹冷縮形變又小,導(dǎo)熱性能還特別好,但比鋁硬3倍,非常適合做風(fēng)云四號(hào)這種熱環(huán)境復(fù)雜、輕量化程度要求高的衛(wèi)星載荷的結(jié)構(gòu)件??捎捎诩庸だщy,一直沒(méi)用上。
2009年,國(guó)內(nèi)終于有企業(yè)能夠加工這種材料。他們馬上找到這家企業(yè),和它一起改進(jìn)技術(shù),最終研制出了國(guó)內(nèi)首套鋁基碳化硅掃描機(jī)構(gòu)框架,并成功應(yīng)用在兩臺(tái)載荷中。現(xiàn)在,這個(gè)行業(yè)已面對(duì)國(guó)內(nèi)廣泛的應(yīng)用。
感應(yīng)同步器中的碼盤(pán)是關(guān)鍵部件,掃描儀和探測(cè)儀能夠?qū)崿F(xiàn)高精度“指哪打哪”,它起著舉足輕重的作用。達(dá)到航天要求的產(chǎn)品,國(guó)際上也只有一兩家能做,一聽(tīng)說(shuō)產(chǎn)品精度這么高,他們都一口回絕。
最后,科研人員輾轉(zhuǎn)在常熟找到了一家民營(yíng)企業(yè)。這家廠的主人,退休前是昆明機(jī)械廠的總工程師,曾參與過(guò)國(guó)家組織的相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。不過(guò),這家民企研制航天高可靠產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)不足。研制人員幾乎手把手幫著解決可靠性問(wèn)題,最終研制出了滿足航天要求的國(guó)內(nèi)最高精度的感應(yīng)同步器。
碳纖維編織材料、特種檢測(cè)設(shè)備、長(zhǎng)壽命高性能潤(rùn)滑脂……15年,風(fēng)四團(tuán)隊(duì)通過(guò)項(xiàng)目,帶動(dòng)了多家民營(yíng)企業(yè)技術(shù)升級(jí)。“盡管民企沒(méi)有航天產(chǎn)品的管理體系,質(zhì)量跟蹤非常累。”華建文說(shuō),“但看到自己的技術(shù)和業(yè)務(wù)引導(dǎo),讓這些行業(yè)得到改變,這種成就與滿足感,不亞于衛(wèi)星上天。”為了精確評(píng)價(jià)掃描鏡的這個(gè)精度指標(biāo),王淦泉整整想了12年。無(wú)法檢測(cè)校準(zhǔn),又怎知儀器是否達(dá)標(biāo)?2014年的一天,他偶然看到資料,有一種設(shè)備可以達(dá)到在千分之一秒內(nèi)測(cè)出0.1角秒的誤差??蓢?guó)內(nèi)只有一兩家單位可能具備這種技術(shù),但精度能否滿足掃描鏡的測(cè)試需求,卻是未知。
他花了一年多時(shí)間,往返于北京、西安等地,不斷與相關(guān)科研人員溝通,促成對(duì)設(shè)備的改進(jìn),終于做出了可以檢測(cè)掃描鏡動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)的儀器。
面對(duì)這么多從未挑戰(zhàn)過(guò)的技術(shù)難關(guān),漫長(zhǎng)的研發(fā)周期考驗(yàn)著科研人員的定性。一般衛(wèi)星的研發(fā)周期是4-6年,但具備高精度定量應(yīng)用特征的氣象衛(wèi)星的研發(fā)周期卻長(zhǎng)達(dá)十幾年。一代氣象衛(wèi)星往往要先后發(fā)射好幾顆,從第一顆到最后一顆上天,又有好幾年,再加上在軌運(yùn)行的維護(hù)任務(wù)———這輩子真的就只夠做這一批星了。
項(xiàng)目推進(jìn)困難重重,團(tuán)隊(duì)里的年輕人來(lái)了又走了,卻仍有不少人一直堅(jiān)持著。探測(cè)儀團(tuán)隊(duì)的“元老”之一王占虎動(dòng)過(guò)離開(kāi)的念頭,甚至還去應(yīng)聘新工作,可想到做夢(mèng)都想調(diào)出的第一束紅外干涉信號(hào),最后一刻還是留了下來(lái)。“去年探測(cè)儀隨風(fēng)四升空,從此感覺(jué)天空中多了一個(gè)親戚。”他說(shuō),“為一顆星做一輩子,我愿意。”
衛(wèi)星載荷帶民企一起“上天”
航天器能做多好,取決于一個(gè)國(guó)家的工業(yè)基礎(chǔ)。即使科學(xué)家能夠設(shè)計(jì)出最新的載荷,如果關(guān)鍵器件沒(méi)有廠家能夠加工,仍舊是畫(huà)餅。
項(xiàng)目開(kāi)始之初,研發(fā)團(tuán)隊(duì)就飽嘗此中艱辛。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,載荷中需要一些激光器、分光計(jì),當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)找不到這些器件,他們發(fā)出100多封郵件,全球?qū)ふ疫@些產(chǎn)品。可是,當(dāng)外方了解到具體參數(shù)后,就回絕了技術(shù)合作的要求,或者以沒(méi)有“銷(xiāo)售許可證”為由,不愿賣(mài)產(chǎn)品。
自己設(shè)計(jì),自己研制,他們開(kāi)始在國(guó)內(nèi)尋找合作企業(yè)。有一種名叫鋁基碳化硅的材料,跟鋁一樣輕,熱脹冷縮形變又小,導(dǎo)熱性能還特別好,但比鋁硬3倍,非常適合做風(fēng)云四號(hào)這種熱環(huán)境復(fù)雜、輕量化程度要求高的衛(wèi)星載荷的結(jié)構(gòu)件??捎捎诩庸だщy,一直沒(méi)用上。
2009年,國(guó)內(nèi)終于有企業(yè)能夠加工這種材料。他們馬上找到這家企業(yè),和它一起改進(jìn)技術(shù),最終研制出了國(guó)內(nèi)首套鋁基碳化硅掃描機(jī)構(gòu)框架,并成功應(yīng)用在兩臺(tái)載荷中?,F(xiàn)在,這個(gè)行業(yè)已面對(duì)國(guó)內(nèi)廣泛的應(yīng)用。
感應(yīng)同步器中的碼盤(pán)是關(guān)鍵部件,掃描儀和探測(cè)儀能夠?qū)崿F(xiàn)高精度“指哪打哪”,它起著舉足輕重的作用。達(dá)到航天要求的產(chǎn)品,國(guó)際上也只有一兩家能做,一聽(tīng)說(shuō)產(chǎn)品精度這么高,他們都一口回絕。
最后,科研人員輾轉(zhuǎn)在常熟找到了一家民營(yíng)企業(yè)。這家廠的主人,退休前是昆明機(jī)械廠的總工程師,曾參與過(guò)國(guó)家組織的相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。不過(guò),這家民企研制航天高可靠產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)不足。研制人員幾乎手把手幫著解決可靠性問(wèn)題,最終研制出了滿足航天要求的國(guó)內(nèi)最高精度的感應(yīng)同步器。
碳纖維編織材料、特種檢測(cè)設(shè)備、長(zhǎng)壽命高性能潤(rùn)滑脂……15年,風(fēng)四團(tuán)隊(duì)通過(guò)項(xiàng)目,帶動(dòng)了多家民營(yíng)企業(yè)技術(shù)升級(jí)。“盡管民企沒(méi)有航天產(chǎn)品的管理體系,質(zhì)量跟蹤非常累。”華建文說(shuō),“但看到自己的技術(shù)和業(yè)務(wù)引導(dǎo),讓這些行業(yè)得到改變,這種成就與滿足感,不亞于衛(wèi)星上天。”