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面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

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【中國科學報】為17顆氣象衛星打造“慧眼”

他們的五十一載追夢“風云”路

2021-03-26 中國科學報 辛雨
【字體:

語音播報

風云三號D星使用上海技物所研制的分辨率光譜成像儀獲取的圖像。上海技物所供圖

  2021年,我國計劃發射風云四號B星和風云三號E星,“十四五”時期計劃共發射7顆風云衛星。隨著風云衛星家族的不斷壯大,我國天氣預報和氣象災害預警的能力也不斷提升。

  我國風云衛星自起步以來,50多年間一步步從無到有、從小到大、從弱到強。如今,我國已成功發射17顆風云衛星,7顆在軌運行。

  “風云之路”的輝煌離不開一雙雙“慧眼”——有效載荷,它是氣象衛星的“眼睛”,獲取的數據可生成各種云圖、海面溫度、植被指數等一系列產品。有效載荷的研制水平是決定氣象衛星工作性能水平的關鍵。中科院上海技術物理研究所(以下簡稱上海技物所)全程參與了這17顆衛星有效載荷的研制工作,完成相關產品研制28臺(套),為我國空間光電載荷技術發展,以及大氣探測技術實現升級換代和逐步超越國際水平作出了重要貢獻。

  從無到有

  1965年,美國發射了世界上第一顆實用性軍用氣象衛星“布洛克”一號,向全球播送數據信息,它的出現揭開了人類準確預測天氣的序幕。

  “衛星數據全球播送后,我國開始接收美國氣象衛星輻射計的數據(云圖),發現它在臺風預報等方面獲得了很好的效果?!敝袊こ淘涸菏?、上海技物所研究員龔惠興說。

  自1970年我國籌謀發展氣象衛星伊始,上海技物所就配合國家氣象局等單位積極進行氣象衛星探測儀器的調研、先期部署和研發。按照風云一號的規劃部署,上海技物所負責研制觀測地球氣象狀況的遙感儀器——甚高分辨率掃描輻射計(以下簡稱掃描輻射計)。

  掃描輻射計進入預研階段,龔惠興受命出任研制組副組長,負責技術攻關,目標是瞄準當時美國新發射氣象衛星使用的48轉/分鐘掃描輻射計。

  就在提交儀器設計方案不久,龔惠興卻因肝炎住院了。住院大半年后,為了研發任務,他不顧身體虛弱要求出院工作。

  “怕傳染別人,我就一直在辦公樓廁所旁邊的儲藏室工作,避免與旁人過多接觸?!饼徎菖d告訴《中國科學報》,那時條件雖艱苦,他還是“一根筋”地只想把儀器做出來。

  經過7年的預研,掃描輻射計多項參數都已確定。1977年,我國第一顆氣象衛星風云一號進入工程研制軌道。

  當年11月,氣象衛星工程大總體方案論證會召開。就在這時,世界氣象組織發布通告:美國準備從1978年起,將新發射氣象衛星信號全部從模擬制式改成數字制式,具有5個通道,同時將分辨率從8000米提高到1000米,數據精度提高64倍。

  “這意味著,如果風云一號還按照原來的設計上天,無論從數據制式還是數據精度,都不會有國家使用它的數據,它便沒有存在的意義?!饼徎菖d解釋。

  面對“風云突變”,主持掃描輻射計系統研制工作的中國科學院院士、時任上海技物所研究室主任匡定波當場提出:我們要提升技術指標。

  “做出來容易,往前跨一步比較難?!笨锒úㄏ蛴浾呓忉?,跨出這一步最關鍵的技術難題有兩個:一是提升碲鎘汞探測器性能以適應較高的工作溫度(105K);二是研制提供碲鎘汞探測器工作溫度的輻射制冷器。

  一年后,上海技物所研究團隊還是“啃下了這塊硬骨頭”,超出預期完成任務。

  風云一號原本只設計了3個用于氣象的觀測通道,為提高衛星使用效益,龔惠興大膽提出:“可以再加兩個通道給海洋?!?/p>

  于是,在衛星系統不作改動、原遙感系統僅作少量改動的情況下,掃描輻射計增加了兩個探測通道用于海洋水色觀測,使得風云一號兼有氣象和海洋觀測的雙重功能。

  1988年,風云一號A極軌氣象衛星成功發射,不僅實現了我國氣象衛星從無到有的跨越,也讓我國衛星海洋遙感提前起步,填補了國際空間海洋水色觀測的空缺。

  “我國氣象衛星很有特色,很有面子?!笨锒úǜ袊@。

  從小變大

  “風云之路”徐徐鋪開。1997年,風云二號A靜止氣象衛星的成功發射,使我國成為繼美國、歐盟之后,第三個同時擁有極軌和靜止氣象衛星的國家(地區),風云衛星星座初具雛形。

  “我這大半輩子,都是在風云衛星上?!痹谥袊茖W院院士、風云二號副總設計師陳桂林看來,自己的“風云事業”就像一艘駛向大海彼岸的船,絕不回頭。

  1984年,陳桂林接到任務:研制風云二號的核心儀器——多通道掃描成像輻射計。自此,他開啟了“風云航行”。這個過程中說不清遇到過多少“大風大浪”,僅在研制的第一階段,就攻克了240多個技術難關。

  當時,國內并沒有多通道掃描成像輻射計核心器件波紋管的研制基礎,如果從法國進口,需要2000萬法郎,可當時整個衛星的研制費用才不到1000萬法郎?!八晕覀円咦约旱穆?,要自力更生一把?!标惞鹆终f。

  為了這個波紋管,陳桂林團隊幾乎跑遍了國內所有地方,最后在北京找到了一位會加工波紋管的師傅,在四川找到了可以制造材料的機器。反復調整試用,經歷3年多,波紋管問題才得以解決。

  此外,掃描輻射計的升級有諸多難點,有資源和技術限制,人員也短缺。風云二號H星掃描輻射計主任設計師、上海技物所研究員陳福春向《中國科學報》坦言:“很少有人比陳桂林更熟悉輻射計了?!?/p>

  2017年底,在風云二號H星的一次試驗中出現了一個干擾的多余信號,大家一時難以判斷信號來源。最后,還是陳桂林把試驗流程再走一遍后,找到了信號源頭。

  創業難,守業更難?!?到1的這條路很長,我們手握成功的接力棒,肩上是必須成功的重擔?!标惛4喊衙恳淮鷴呙栎椛溆嫸伎醋魇且粋€新開始。

  1986年至今,上海技物所為風云二號全系列發射的8顆衛星研發的核心光學載荷多通道掃描成像輻射計,關鍵技術指標和產品可靠性達到自旋衛星平臺同類遙感儀器國際先進水平。如今,風云二號向包括非洲東部、西亞、中亞、南亞在內的諸多國家地區提供氣象資料和信息,為提升我國國際影響力作出重要貢獻。

  從弱變強

  氣象衛星是用于大氣觀測和生態觀測的功能衛星,測量儀器的準確性是它的生命線。在風云一號、二號有效載荷研制經驗的基礎上,我國新一代氣象衛星的技術水平又邁上了新的臺階。

  2017年11月發射的風云三號D星是我國第二代極軌氣象衛星的第二顆業務星,被譽為探測全球大氣的“超級慧眼”。與風云三號前一顆C星相比,其核心遙感儀器的可靠性、穩定性和探測精度都有進一步的提高。

  值得一提的是,風云三號D星搭載的中分辨率光譜成像儀是世界上首臺能夠獲取全球250米分辨率紅外分裂窗區資料的成像儀器,可每日無縫隙獲取全球250米分辨率真彩色圖像?!澳壳盀橹?,其他國家的氣象衛星還不能達到這個水平?!憋L云三號紅外高光譜大氣探測儀主任設計師、上海技物所研究員顧明劍說。

  “衛星儀器的更新換代需要反復論證、預演等,從工程樣機到工程立項,往往要花10年?!鳖櫭鲃Ω嬖V《中國科學報》,風云三號D星從開始啟動研制到發射僅用了四五年。

  顧明劍坦言,這其中最大的挑戰是頂住巨大壓力不斷提升儀器的研制基礎和元部件的性能?!皟x器性能從追趕到相當,再到超越,要拿出最好的東西,最大的力量就是決心和堅持?!?/p>

  2017年9月,風云四號掃描輻射計獲取的全球圖像取代美國宇航局第一張地球全景圖,在微信啟動頁展示。這顆衛星上還搭載了我國氣象衛星的一個獨門秘笈——干涉式大氣垂直探測儀。

  早在20年前,匡定波就作出判斷:“我們可以把干涉儀也放到靜止軌道衛星上?!?/p>

  任務交給了上海技物所研究員華建文。

  “說實在的,把輻射計和探測儀同時放在一個衛星上,挺難的?!比A建文告訴記者,美國曾放棄了“一星雙載”的計劃,分別用兩顆衛星裝載這兩種儀器。當時也有人提議:“要不我們晚一點再上干涉儀吧,這樣技術上會比較輕松?!?/p>

  但科學本身就有“風險”,華建文一心想做成這件事。經過反復預演、調整,華建文帶領團隊把理想變為了現實。

  2016年12月,風云四號A星作為國際上首顆同時裝載多通道掃描成像輻射計和干涉式大氣垂直探測儀的高軌氣象衛星,成功發射。在世界上首次實現了靜止軌道高光譜大氣垂直觀測,帶領我國高軌氣象衛星搶占國際競爭制高點。

  “最后做出來了,我心里快活?!比A建文笑著說。

  “干一代型號,培養一代人。在上海技物所這個院子里,老一輩科學家和青年骨干們一步步地實現了將紅外、光電技術應用于氣象衛星?!鄙虾<嘉锼L丁雷說,按照“十四五”規劃,上海技物所將繼續鉆研高精度高定量遙感技術,積極推進風云五號、風云六號核心光學載荷研制,更多更好地服務于全國人民和全球大眾。

 ?。ㄔd于《中國科學報》 2021-03-26 第4版)
打印 責任編輯:閻芳

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