作者:王敏 来源:中国科学报 发布时间:2024/5/24 16:55:53
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“中国数据”为全球大气环境监测作贡献
——记星载大气成分遥感探测载荷研发团队

 

环境污染和气候变化,是制约全球经济和社会可持续发展的重大因素,事关国际社会共同利益,也关系地球未来。

在安徽合肥西郊风景秀丽的科学岛上,中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所(以下简称安光所)有一支队伍,数十年来,他们潜心研制星载大气成分遥感探测载荷,有力补充了我国在大气成分数据方面的空白与不足,保障了“中国数据”的自主可控和真实可靠,为环境监管治理和气象气候研究提供了一个非常有力的手段,也提升了我国在环境外交中的话语权。

“此次获得科苑名匠团队的荣誉称号,是对我们工作非常大的激励和鼓舞。”团队负责人、安光所副所长熊伟向《中国科学报》介绍,目前,他们正在研制两台装载在大气2号卫星上的载荷。

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星载大气成分遥感探测载荷研发团队。受访者供图

首获第一手“中国数据”

卫星载荷,就是卫星上装载的实现特定卫星任务的仪器或设备。它相当于一台高分辨率的“太空相机”,可以给大气“拍照”,获取大气成分数据。

“每一种气体都有它独一无二的光谱信息,就如同人的指纹。研究人员首先通过载荷获取到这种‘指纹信息’,分析出它是什么气体,再根据光谱上吸收的深浅变化反演出气体浓度变化,最终准确评估气体的状态及其影响。”熊伟解释其中的科学原理。

大气环境除了与人们的生活息息相关,还与国家的环境外交有很重要的关系。

熊伟介绍,很长时间里,我国对污染气体和温室气体的监测,比如二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、甲烷等,主要依靠欧美及日本卫星的数据。因此,在很多环境污染的重大节点与重大话语权上,中国显得相对被动,很难有发言权。

2018年5月9日,我国首颗高分辨率大气环境观测卫星——高分五号01星成功发射。卫星上搭载的6台有效载荷,其中3台就是由熊伟团队研制的。

这3台载荷使得我国从此可以定量获得区域上空及全球空气质量变化、污染气体的分布输运数据。

随后,针对我国对大气成分数据的迫切需求,熊伟团队多次承担了高分专项、空间基础设施等重大专项中高分五号02卫星、环境减灾二号卫星以及陆地生态碳卫星等16颗卫星、多类型20台/套载荷的研发。

熊伟说,“这些载荷对中国获取、分析全球大气环境数据,最终发布‘中国数据’起到了重要作用,为我国增强气候变化、环境监测、应急减灾等方面能力提供了重要支撑。”

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熊伟(左一)在指导研究生设计。齐琼 摄

将载荷“搬上”卫星

2011年12月,熊伟团队首次承担高分五号01星载荷研制项目,正式迈入航天载荷的研制征途。“我们研发的设备能跟随卫星上天,这是科技工作者的荣耀。”熊伟说。

在此之前,他们一直在研发地面探测设备,并取得了诸多成果。这为航天载荷研制奠定了坚实的基础。

卫星载荷研制最大的难点在于提高精确度。“比如,目前二氧化碳浓度已达420ppm(百万分比浓度),而它一年的变化量只有1ppm,载荷首先要在万米高空上‘拍到’1ppm这么小的变化量,然后测算出它变化了多少,技术上的挑战还是非常大的。”熊伟说。

不同于一般项目,航天项目都设有严格的时间节点。熊伟说,“时间紧,任务重,是研制的另一个难点。所以加班加点是常有的事。”

同时,把卫星载荷这些“大家伙”从实验室“搬上”卫星,还需要“过五关斩六将”,在进入发射场前,还会进行震动试验、高低温试验等整星试验。

熊伟举了一个螺丝钉的例子。卫星发射时,会产生非常剧烈的震动。前期,他们在地面做震动试验时,发现载荷上有的螺丝钉松了,甚至飞出去了。当时,在场的人都愣住了。

有人建议在螺丝钉边上用点胶粘住,但点胶的选择也大有学问。因为点胶在真空环境下会挥发,附着在光学器件表面,导致光不能透过去。他们又得重新寻找合适的点胶。

最重要的是,航天项目还不可维修,必须一次成功。为确保卫星载荷“零差错”,他们在载荷上装载了一个定标的装置,这相当于一个秤的砝码。

熊伟说,“我们把太阳当成一个标准源,通过比对载荷观测太阳的变化,计算出载荷的衰变进而修正载荷的观测数据。”

一点点探索,一点点解决……熊伟带领团队,攻克了空间外差超光谱技术、痕量差分光谱探测技术、多角度偏振探测技术等多种关键技术,解决了在轨高精度定标及定量化应用等技术难题。

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熊伟(左一)与同事在做定标测试。齐琼 摄

年轻的力量

2009年,还在科学岛上攻读研究生的路美娜加入了熊伟团队。在导师的指导下,她担起让载荷“成像”的任务。

“简单来说,就是让载荷给大气‘拍照’,把光信号转换成电信号,对电信号进行采集及传输。”路美娜说,原理都清楚,但实施起来却无从下手,只得靠自己不断尝试、调试。因此,那段时间,每天晚上10点之前,她没回过宿舍。

路美娜已记不清自己花了多长时间,经历了多少次失败,但一直记得当载荷传出图像那一刻的感受。“真的特别激动”。

现如今,路美娜对各种类型的载荷“成像”都轻车熟路。她说,“做科研最重要的是独立摸索,在过程中积累经验,相信付出就会有收获。”

凌明椿也是从研究生阶段进入团队。“刚进入团队时,老师们很注重培养方式,敢于放手让大家尝试,我们也得以迅速成长。”

2017年12月,熊伟团队再次承担高分五号02号星4台载荷研制工作。与01号星不同,这次项目管理单位提出了“一步正样”的要求,即卫星载荷研制阶段直接从原先的原理样机、工程样机、初样、正样调整为正样。

这给团队带了很大的挑战。彼时,路美娜、凌明椿等年轻的力量挑起了大梁,站在前辈的“肩膀”上,一年时间内迅速研制出了4台卫星载荷。

熊伟介绍,卫星载荷研制涉及到光学设计、机械设计、电子学设计、软硬件开发、数据反演等多学科方面。目前,团队拥有固定成员30多名,平均年龄35岁。团队先后获得了安徽省科学技术进步奖一等奖2项、航天贡献奖、中国生态环境十大科技进展等多个集体荣誉和个人奖项。

在熊伟看来,与一群志同道合的同事,朝着一个共同的目标,把一件原本认为不可能完成的事情做成了,满足了国家的需求,这便是做科研最大的乐趣。

“未来,我们将进一步发展相关载荷技术,力争为我国环境、气象、资源、遥感等领域的科技自立自强作出更大贡献。” 熊伟表示。

 
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