微信换“头像”的背后 是科学家15年的努力

9月25日至9月28日期间,用户在微信启动时,可以欣赏到由我国新一代静止轨道气象卫星“风云四号”从太空拍摄的祖国全景。这也是6年来微信启动页面首次发生变化,启动页背景中的地球图片由非洲大陆上空视角,变化为了我们的祖国上空。在这背后,是科研人员15年的坚持与付出。科学家说,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!

 

太空中,刚从太阳的炙烤中钻入地影,去年年底发射上天的风云四号静止轨道气象卫星上,两台完成代际技术跨越的仪器——新一代扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪,经受住了太空中巨大温差变化的残酷考验,源源不断地下传遥感数据。

地面上,他们的研制者——中国科学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。15年的坚持与付出。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!

离地面3.6万公里的地球静止轨道上,这对崭新的“中华慧眼”正传回大量“中国数据”。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。

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。”丁雷说,而探测仪获得的数据可能让人类首次真切“看”到这个过程。

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。

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

光谱通道从5个拓展到14个;可见光空间分辨率从1.25千米提高到500米;地球全圆盘成像时间从30分钟提高到15分钟,未来还可继续提高到5分钟以内……随风云四号上天的扫描辐射计,与风云二号上的仪器相比,实现了技术的代际跨越。

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。

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。无法检测校准,又怎知仪器是否达标?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。

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。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。”

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