作者:辛雨 来源:中国科学报 发布时间:2021/2/25 13:15:46
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乘风追梦风云星 一代慧眼一代人

 

2021年,我国计划发射风云四号B星和风云三号E星,并在“十四五”时期计划共发射7颗风云气象卫星。随着“风云”卫星家族的不断壮大,我国天气预报和气象灾害预警的能力都会有进一步提升。

1969年,周恩来总理高瞻远瞩地提出“要搞我们自己的气象卫星”,并于1970年亲自批准下达气象卫星研制任务。我国风云卫星从此起步,此后五十多年来,风云系列气象卫星一步步从无到有、从小到大、从弱到强。如今,我国已成功发射17颗风云系列气象卫星,7颗在轨运行。

“风云之路”的崛起离不开一双“慧眼”——有效载荷,它是气象卫星的“眼睛”,获取的数据可生成各种云图、海面温度、植被指数等一系列产品。有效载荷的研制水平是决定气象卫星工作性能水平的关键。中科院上海技术物理研究所(以下简称上海技物所)全程参与了这17颗卫星有效载荷的研制工作,完成相关产品研制28台(套),为我国空间光电载荷技术发展,以及大气探测技术实现升级换代和逐步超越国际水平作出了重要贡献。

0到1,从无到有

1965年,美国发射了世界上第一颗实用性军用气象卫星“布洛克”一号,资料全球播送,它的出现为人类能够准确地预测天气揭开序幕。

“卫星数据全球播送后,我国开始接收美国气象卫星辐射计的数据(云图),发现它在台风预报等方面获得了很好的效果。”中国工程院院士、上海技物所研究员龚惠兴说。

自1970年我国筹谋发展气象卫星伊始,上海技物所就配合国家气象局、航天科技集团等单位积极进行气象卫星探测仪器的调研、先期部署和研发。按照风云一号气象卫星的规划部署,上海技物所负责研制观测地球气象状况的遥感仪器——甚高分辨率扫描辐射计(以下简称扫描辐射计)。

扫描辐射计进入预研阶段,龚惠兴受命出任扫描辐射计研制组副组长,负责技术攻关,目标是瞄准当时美国新发射气象卫星使用的48转/分钟扫描辐射计。

就在提交仪器设计方案不久,龚惠兴却因肝炎住院了。住院大半年后,他待不住了,他非常着急仪器研发任务。他要求出院工作,即使身体非常虚弱。

“怕传染别人,我就一直在办公楼厕所旁边的储藏室工作,避免与旁人过多接触。”龚惠兴告诉记者,那时条件虽艰苦,他还是“一根筋”地只想把仪器做出来。

经过七年的预研,扫描辐射计多项参数都已确定。1977年,我国第一颗气象卫星风云一号真正进入工程研制轨道。

当年11月,国防科工委主持在上海召开气象卫星工程大总体方案论证会。就在这时,世界气象组织发布通告:美国准备从1978年起,新发射气象卫星信号全部从模拟制式改成数字制式,具有5个通道,同时将分辨率从8千米提高到1千米。数据精度一下提高了64倍。

“这意味着,如果风云一号还按照原来的设计上天,无论是从数据制式还是数据精度而言,都不会有国家使用它的数据,它便没有存在的意义。”龚惠兴解释。

面对“风云突变”,主持扫描辐射计系统研制工作的中国科学院院士、时任上海技物所研究室主任匡定波当场提出:我们要提升技术指标。

“做出来容易,往前跨一步做比较难。”匡定波向记者解释,跨出这一步最关键的技术难题有两个:一是提升碲镉汞探测器性能以适应较高的工作温度(105K);二是研制提供碲镉汞探测器工作温度的辐射制冷器。

虽然很难,一年后,上海技物所研究团队还是“啃下了这块硬骨头”,超出预期完成任务。风云一号原本只设计了3个用于气象的观测通道,为提高卫星使用效益,龚惠兴大胆提出:“可以再加两个通道给海洋。”

于是,在卫星系统不作改动、原遥感系统仅作少量改动的情况下,扫描辐射计增加了两个探测通道用于海洋水色观测,使得风云一号兼有气象和海洋观测的双重功能。

1988年,风云一号A极轨气象卫星成功发射,不仅实现了我国气象卫星从无到有的跨越,也让我国卫星海洋遥感提前起步,填补了国际空间海洋水色观测的空缺。

“中国气象卫星很有特色,很有面子。”匡定波感叹。

1到10,从小变大

“风云之路”徐徐展开。1997年,风云二号A静止气象卫星的成功发射,使我国成为继美国、欧盟之后,第三个同时拥有极轨和静止气象卫星的国家(地区),风云卫星星座初具雏形。

“我这大半辈子,都是在风云卫星上。”在中国科学院院士、风云二号气象卫星副总设计师陈桂林看来,自己的“风云事业”就像一艘驶向大海彼岸的船,绝不会回头。

1984年,陈桂林接到任务:研制地球同步轨道气象卫星“风云二号”的核心仪器——多通道扫描成像辐射计。自此,他开启了风云航行。这个过程中说不清遇到过多少“大风大浪”,仅在研制的第一阶段,就攻克了240多个技术难关。

当时,国内并没有多通道扫描成像辐射计核心器件波纹管的研制基础,如果从法国进口,需要2000万法郎,可当时整个卫星的研制费用才不到1000万法郎。“所以我们要走自己的路,要自力更生一把。”陈桂林说。

为了这个波纹管,陈桂林团队几乎跑遍了国内所有地方,最后在北京找到了一位会加工波纹管师傅,在四川找到了可以制造材料的机器。反复调整试用,经历3年多时间,波纹管的问题才得以解决。

“风云卫星,我们搞得比较早,这条路很不容易。”回看往事,在陈桂林眼里,有几分骄傲,也有几分不易。

扫描辐射计的升级有诸多难点,有资源和技术限制,也有人员短缺。风云二号H星扫描辐射计主任设计师、上海技物所研究员陈福春向《中国科学报》坦言:“少有人比陈院士更熟悉辐射计了。”

2017年底,在风云二号H星的一次试验中出现了一个干扰的多余信号,大家一时难以判断信号来源。“最后,还是陈院士把试验流程再走一遍后,找到了信号源头。”

创业难,守业更难。“0到1的这条路很长,我们手握成功的接力棒,肩上是必须成功的重担。”陈福春把每一代扫描辐射计都看作是一个新开始,“风云二号总得有人坚持到底,做事情要善始善终,这也是陈院士教导我们的。”

1986年至今,上海技物所为风云二号全系列发射的8颗卫星研发的核心光学载荷多通道扫描成像辐射计,其关键技术指标和产品可靠性达到自旋卫星平台同类遥感仪器国际先进水平。如今,风云二号服务于“一带一路”战略,它向包括非洲东部、西亚、中亚、南亚在内的诸多国家地区提供气象资料和信息,为提升我国国际影响力作出重要贡献。

10到100,从弱变强

气象卫星是用于大气观测和生态观测的功能卫星,测量仪器的准确性是它的生命线。在继承风云一号、二号有效载荷研制经验的基础上,我国新一代气象卫星的技术水平又跨上了新的台阶。

2017年11月发射的风云三号D星是我国第二代极轨气象卫星的第二颗业务星,被誉为探测全球大气的“超级慧眼”。与风云三号前一颗C星相比,其核心遥感仪器的可靠性、稳定性和探测精度都有进一步的提高。

值得一提的是,风云三号D星搭载的中分辨率光谱成像仪是世界上首台能够获取全球250米分辨率红外分裂窗区资料的成像仪器,可每日无缝隙获取全球250米分辨率真彩色图像。“目前为止,其他国家的气象卫星还没有达到这个水平。”风云三号红外高光谱大气探测仪主任设计师、上海技物所研究员顾明剑说。

“卫星仪器的更新换代需要经过反复论证、预演等过程,从工程样机再到工程立项,往往要花10年的时间。”顾明剑告诉《中国科学报》,风云三号D星从开始启动研制到发射仅用了四五年的时间。

仪器设计指标都要与欧美国家进行对比,顾明剑坦言,这其中最大的挑战是顶住巨大压力不断提升仪器的研制基础和元部件的性能。“仪器性能从追赶到相当,再到超越,要拿出最好的东西,最大的力量就是决心和坚持。”

2017年9月,风云四号扫描辐射计获取的全球图像取代美国航空航天局世界第一张地球全景图,在微信启动页展示。这颗卫星上还搭载了我国气象卫星的一个独门秘笈——干涉式大气垂直探测仪。早在20年前,匡定波就做出判断:“我们可以把干涉仪也放到静止轨道卫星上。”

任务交给了上海技物所研究员华建文。“说实在的,把辐射计和探测仪同时放在一个卫星上,挺难的。”华建文告诉记者,美国曾因相互干扰和费用贵为由,放弃了“一星双载”的计划,分别用两颗卫星装载这两种仪器。

当时也有人提议:“要不我们晚一点再上干涉仪吧,这样技术上会比较轻松。”但科学本身就有“风险”,华建文一心想做成这件事。经过反复预演、调整,华建文带领团队把理想变为了现实。

2016年12月,风云四号A星作为国际上首颗同时装载多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪的高轨气象卫星,成功发射。在世界上首次实现了静止轨道高光谱大气垂直观测,带领我国高轨气象卫星抢占国际竞争制高点。

“最后做出来了,我心里快活。”华建文笑着说。

“干一代型号,培养一代人。在上海技物所这个院子里,老一辈科学家和青年骨干们一步步地实现了将红外、光电技术应用于气象卫星。”上海技物所所长丁雷说,按照“十四五”规划,上海技物所将继续钻研高精度高定量遥感技术,积极推进风云五号、风云六号核心光学载荷研制,更多更好地服务于全国人民和全球大众。

 
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