作者:江庆龄 来源:中国科学报 发布时间:2024/6/19 8:47:35
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接力前行,他们为卫星打造“慧眼”

 

2017年11月15日凌晨,在太原卫星发射中心附近的一个山沟沟里,有两个身影在静静等待火箭发射。他们是中国科学院上海技术物理研究所(以下简称上海技物所)研究员顾明剑和钮新华。深秋时节,室外温度为零下18摄氏度,两人的眼中却闪着炽热的光。

倒计时、点火、发射、星箭分离……长征四号丙运载火箭成功将“风云三号D”气象卫星(以下简称D星)送入运行轨道。这颗卫星上,搭载着两个重要载荷——红外高光谱大气探测仪和中分辨率成像光谱仪。它们分别由顾明剑和钮新华带领的小组研制完成。

顾明剑和钮新华小组同属于上海技物所风云三号气象卫星有效载荷研制团队(以下简称团队)。团队曾获得国家科技进步奖二等奖、中国科学院杰出科技成就奖、上海市科技进步奖二等奖等多个奖项,近日又收获了一个新称号——中国科学院第五届“科苑名匠”。

上海技物所风云三号气象卫星有效载荷研制团队。

“团魂”:做国家最需要的科研

如果说,当时吸引团队成员加入上海技物所的是国字号科研机构的金字招牌,那么如今使团队坚守在大气遥感探测领域的是“要做出对国家有用的科研成果”的信念。这是团队在30多年实践中不断迭代形成的共同理念。

团队里很多成员都有相似的经历——大学毕业在上海技物所读研究生,后来留所工作。“论文的研究结果要是能在天上验证应用就太好了!”上海技物所研究员丁雷说,为了实现这个愿景大家留了下来。

我国自1990年开始论证第二代气象卫星——风云三号系列。上海技物所随之组建了一支平均年龄不到30岁的团队,致力于为卫星打造“慧眼”,即各类探测气象要素的载荷,以获取各类大气、生态环境等相关信息。

“每一颗卫星的载荷在性能上都要比上一颗有所提升”,这是团队最基本的自我要求。有经验的科研人员把控整体方向,年轻后辈凭借“初生牛犊不怕虎”的勇气,大胆践行新技术。

在顾明剑看来,拥有勇于承担责任的集体意识及主动学习的能力,是团队成员的突出共性。每个人都能在团队中找到最适合的位置,充分发挥优势,并在项目中历练成长。

尽管顶着关键技术攻关和型号推进的双重压力,但团队从不抱怨辛苦,只怕“不能解决问题”。没有技术积累,就从基本原理出发思考解决方案;工程任务紧张,就把进度表细化到每个半天;遇到棘手问题,就第一时间召集团队一起展开头脑风暴……

钮新华至今记得,刚加入团队时,在一个项目的关键验证阶段,当时的室主任带着他们熬了三天两夜。

“预研阶段人员有限、技术积淀相对较少,但是所里的老同志都知无不言,不遗余力地提供技术指导。”钮新华对《中国科学报》说。

2008年,风云三号首颗卫星发射成功,其上搭载的中分辨率光谱成像仪采用了多项突破性技术,先后为汶川震后地理监测、台风监测、暴雨监测等提供服务。而后的B星、C星……一直到今年5月正式投入业务运行的G星,每一颗卫星上的载荷都有技术创新。与此同时,团队不断发展壮大,如今有60余人,其中不乏年轻的“90后”“00后”。

风云三号F星中分辨率光谱成像仪Ⅲ型获取的图像。图片均由上海技物所提供

此外,探测器、制冷机、光学薄膜等核心部件的研发得到了上海技物所其他团队的全力支持。上海技物所研究员乔辉作为这些团队中的一员见证了探测器性能的不断提升。乔辉介绍,探测器由一个个微米级别的像元组成。每个像元的制备,从原材料生长开始,涉及几十道工艺,有时可能仅仅是操作时忘记戴口罩,就会导致像元受污染而不能使用。“探测器最重要的参数是信噪比,即能够将信号同背景噪声进行区分。得到的像元还需要在显微镜下一个个仔细观察,优中选优。”

经常有人问:“为什么你们的工作这么辛苦,却干得这么开心?”钮新华的答案是:“我们是一个大家庭,而且每个人都将载荷研制视为终生事业。”

聚力:面向国际最前沿

截至2023年底,团队已为风云三号系列卫星贡献了包含中分辨率光谱成像仪、红外高光谱大气探测仪、地球辐射探测仪、短波偏振探测仪、红外分光计、扫描辐射计等在内的功能各异的29台套先进载荷,均成功实现在轨应用,仪器性能达到并部分超过国际水平。

其中,D星的载荷大幅升级换代。团队瞄准国际最前沿的高性能载荷技术指标,向更高精度、更高频次、更长寿命的目标努力。

通常一颗卫星有效载荷的技术打磨需要10年左右,而团队在短短5年间,创造了诸多历史:世界上首台可获取全球250米分辨率长波红外分裂窗区资料的成像仪器成功应用,我国第一台极轨快速傅里叶光谱仪器在轨应用,台风登陆等高影响天气的预报时效提前到5~7天……

“原来我们只能看到云图,D星之后真正实现了高光谱大气垂直探测的三维观测。”顾明剑解释。

取得这样的成绩,背后迈出的每一步都不容易。

在一次红外定标实验中,团队遇到了大麻烦。由于采用的是被动式辐射制冷方案,需要模拟太空中零下200摄氏度的极低温环境,而这只有在特殊的真空罐中才能够实现。实验中出现了信号干扰,意味着仪器无法达到预期性能。

“我们当时想了各种常温下的替代调试方案,但整整两个星期都没有进展。”顾明剑回忆。

调试—失败—再试,为了尽快解决问题,每一个人都在挑战自己的极限。幸而上海技物所还有很多“风云”前辈能够给团队出谋划策。在想法的碰撞下,大家有了一个新的解决思路,并着手尝试。第三周结束时,问题终于被解决了。

如今,设计寿命为5年的D星已在轨运行7年,其上的载荷也超额完成了任务。

接棒:勇于走到无人区

“无论是航班延误,还是特大暴雨、农业减产,本质上都和天气有关。”顾明剑说,“我们希望可以更早地对天气作出预报,同时为应对极端天气而努力。”

D星之后,团队已进行全方位布局,年轻人开始崭露头角。2013年来到上海技物所的“90后”陈帅帅、江丰和成龙,开始接下前辈们递过来的接力棒,以小组负责人身份,承担起下一代气象卫星载荷研制工作。

每天的清晨和黄昏,是地球能量交互变化率最高的时候,也是天气极易骤然变化的时刻。风云三号E星是世界业务气象卫星家族中首颗晨昏轨道卫星。团队继续瞄准国际领先,设计了要求极高的微光通道,实现了最终信噪比达11的国际领先的指标。陈帅帅深度参与了微光通道的研制工作。

风云系列首颗“降水星”G星,主要用于灾害性天气系统降水监测。江丰作为技术负责人,负责高精度基准比对传递定标器的研制。江丰和团队一起,攻克了高光谱大动态探测、大范围高精度指向、大量级衰减片标定和在轨定标传递算法等方面的一系列难题。

据悉,计划明年发射的卫星上将搭载一个温室气体载荷。对于在气象卫星载荷研制方面有丰富经验的上海技物所来说,这依然是个全新的挑战。进入与国际比肩的赛道,需要团队走出不同于国际同类产品的技术路线,为的是使我国有能力在全球遥感平台进行布局,提供全球温室气体数据。成龙和团队前辈们一起,从零开始,正一步步把这个载荷从设想变为工程化产品。

“对我们来说,最开心的时刻,除了卫星发射、载荷正常运行外,就是看着团队里的年轻人成长起来。”顾明剑告诉《中国科学报》,“这样我们可以放心地把接力棒交给他们,相信在他们手里,我国气象卫星载荷技术可以从与国际前沿并跑到领跑。”

 
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