微信換“頭像”的背后 是科學(xué)家15年的努力通信
9月25日至9月28日期間，用戶在微信啟動時，可以欣賞到由我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云四號”從太空拍攝的祖國全景。
9月25日至9月28日期間，用戶在微信啟動時，可以欣賞到由我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云四號”從太空拍攝的祖國全景。這也是6年來微信啟動頁面首次發(fā)生變化，啟動頁背景中的地球圖片由非洲大陸上空視角，變化為了我們的祖國上空。在這背后，是科研人員15年的堅持與付出。科學(xué)家說，這輩子能夠啃下這塊讓美國、歐洲都知難而退的硬骨頭，值了！
太空中，剛從太陽的炙烤中鉆入地影，去年年底發(fā)射上天的風(fēng)云四號靜止軌道氣象衛(wèi)星上，兩臺完成代際技術(shù)跨越的儀器――新一代掃描成像輻射計、干涉式大氣垂直探測儀，經(jīng)受住了太空中巨大溫差變化的殘酷考驗，源源不斷地下傳遙感數(shù)據(jù)。
地面上，他們的研制者――中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所風(fēng)四載荷團隊的科學(xué)家們，長長松了口氣。15年的堅持與付出。首席科學(xué)家華建文說，這輩子能夠啃下這塊讓美國、歐洲都知難而退的硬骨頭，值了！
離地面3.6萬公里的地球靜止軌道上，這對嶄新的“中華慧眼”正傳回大量“中國數(shù)據(jù)”。其中部分?jǐn)?shù)據(jù)是國際氣象界迫切期望使用的，除了中國的風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星，目前沒有任何一顆在軌衛(wèi)星能夠提供。
當(dāng)別人放棄時，我們堅持
“沒有輻射計，就不是風(fēng)四；沒有探測儀，就不是中國的風(fēng)四。”上海技物所副所長、探測儀主任設(shè)計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儀的魄力。
1997年風(fēng)云二號衛(wèi)星剛上天，下一代風(fēng)云衛(wèi)星就已開始規(guī)劃。匡定波提出，應(yīng)該發(fā)展干涉式大氣垂直探測儀。這種利用傅立葉變換原理的探測儀，可以為大氣做“超級CT”――把大氣從地面開始“切片”，將100公里大氣切成上千層，測出每一層的溫度、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。這個變化過程原來主要是理論推測，沒有實際觀測到過。”丁雷說，而探測儀獲得的數(shù)據(jù)可能讓人類首次真切“看”到這個過程。
這是遙感領(lǐng)域紅外光譜技術(shù)的一場革命。早先，美國、歐洲都在朝這個方向努力，但到2006年，由于技術(shù)難度過大、所需經(jīng)費太多，美國放棄了，歐洲也大幅調(diào)整了計劃。
中國要不要繼續(xù)？
2001年回國來到技物所的華建文，在2005年底已帶領(lǐng)團隊調(diào)出了紅外干涉信號，原理樣機初步成功。匡定波說：“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。”
國際同行公認(rèn)，探測儀“切片數(shù)”達到1000，是衡量探測質(zhì)量的分水嶺。“我們非但要做，而且把目標(biāo)定在了1500層，這幾乎是一個夢想數(shù)值。”丁雷說，既然要啃硬骨頭，就挑最難的嘗試。
如今，當(dāng)中國的探測儀開始提供全球獨家的數(shù)據(jù)時，美國的研發(fā)隊伍尚未重新聚集，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，我們堅持；做成功了，就領(lǐng)先世界。”華建文說，過去中國向國外衛(wèi)星要數(shù)據(jù)，現(xiàn)在是國際氣象界迫切需要中國的衛(wèi)星數(shù)據(jù)了。
為一顆星做一輩子，我愿意
光譜通道從5個拓展到14個；可見光空間分辨率從1.25千米提高到500米；地球全圓盤成像時間從30分鐘提高到15分鐘，未來還可繼續(xù)提高到5分鐘以內(nèi)……隨風(fēng)云四號上天的掃描輻射計，與風(fēng)云二號上的儀器相比，實現(xiàn)了技術(shù)的代際跨越。
成像輻射計的掃描機構(gòu)瞄準(zhǔn)拍攝點的精度有多高？主任設(shè)計師王淦泉說，相隔一個足球場的距離，在一邊放上成排的1萬枚針孔僅0.04平方毫米的細針，在另一邊用掃描機構(gòu)的鏡子反射激光穿過小孔，可以準(zhǔn)確穿過9997個。
為了精確評價掃描鏡的這個精度指標(biāo)，王淦泉整整想了12年。無法檢測校準(zhǔn)，又怎知儀器是否達標(biāo)？2014年的一天，他偶然看到資料，有一種設(shè)備可以達到在千分之一秒內(nèi)測出0.1角秒的誤差。可國內(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試需求，卻是未知。
他花了一年多時間，往返于北京、西安等地，不斷與相關(guān)科研人員溝通，促成對設(shè)備的改進，終于做出了可以檢測掃描鏡動態(tài)精度檢測的儀器。
面對這么多從未挑戰(zhàn)過的技術(shù)難關(guān)，漫長的研發(fā)周期考驗著科研人員的定性。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)周期卻長達十幾年。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，再加上在軌運行的維護任務(wù)―――這輩子真的就只夠做這一批星了。
項目推進困難重重，團隊里的年輕人來了又走了，卻仍有不少人一直堅持著。探測儀團隊的“元老”之一王占虎動過離開的念頭，甚至還去應(yīng)聘新工作，可想到做夢都想調(diào)出的第一束紅外干涉信號，最后一刻還是留了下來。“去年探測儀隨風(fēng)四升空，從此感覺天空中多了一個親戚。”他說，“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，取決于一個國家的工業(yè)基礎(chǔ)。即使科學(xué)家能夠設(shè)計出最新的載荷，如果關(guān)鍵器件沒有廠家能夠加工，仍舊是畫餅。
項目開始之初，研發(fā)團隊就飽嘗此中艱辛。根據(jù)設(shè)計要求，載荷中需要一些激光器、分光計，當(dāng)時國內(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，或者以沒有“銷售許可證”為由，不愿賣產(chǎn)品。
自己設(shè)計，自己研制，他們開始在國內(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。可由于加工困難，一直沒用上。
2009年，國內(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)，和它一起改進技術(shù)，最終研制出了國內(nèi)首套鋁基碳化硅掃描機構(gòu)框架，并成功應(yīng)用在兩臺載荷中。現(xiàn)在，這個行業(yè)已面對國內(nèi)廣泛的應(yīng)用。
感應(yīng)同步器中的碼盤是關(guān)鍵部件，掃描儀和探測儀能夠?qū)崿F(xiàn)高精度“指哪打哪”，它起著舉足輕重的作用。達到航天要求的產(chǎn)品，國際上也只有一兩家能做，一聽說產(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企業(yè)。這家廠的主人，退休前是昆明機械廠的總工程師，曾參與過國家組織的相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。不過，這家民企研制航天高可靠產(chǎn)品的經(jīng)驗不足。研制人員幾乎手把手幫著解決可靠性問題，最終研制出了滿足航天要求的國內(nèi)最高精度的感應(yīng)同步器。
碳纖維編織材料、特種檢測設(shè)備、長壽命高性能潤滑脂……15年，風(fēng)四團隊通過項目，帶動了多家民營企業(yè)技術(shù)升級。“盡管民企沒有航天產(chǎn)品的管理體系，質(zhì)量跟蹤非常累。”華建文說，“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。”
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