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——记星载大气成分遥感探测载荷研发团队

中安在线   2024-06-03 15:52:37   来源:中国科学报    作者:王敏   编辑:陈菓

  熊伟(右一)在指导研究生设计。齐琼/摄

  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,也关系地球的未来。

  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,潜心研制星载大气成分遥感探测载荷,有力填补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有力手段,提升了我国在环境外交中的话语权。

  “近期获得中国科学院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、安光所副所长熊伟告诉《中国科学报》。

  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“太空相机”,可以给大气“拍照”,获取大气成分数据。

  “每一种气体都有独一无二的光谱信息,如同人的指纹。研究人员首先通过载荷获取这种‘指纹信息’,分析出它是什么气体,再根据光谱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。”熊伟说。

  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的卫星数据。因此,在很多环境污染问题上,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。卫星上搭载了6台有效载荷,其中3台由熊伟团队研制。这3台载荷使得我国从此可以定量获得空气质量变化、污染气体分布输运的数据。

  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星、环境减灾二号卫星以及陆地生态系统碳监测卫星等16颗卫星、多类型20台/套载荷的研发。

  “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监测、环境监测、应急减灾等方面能力提供了重要支撑。”熊伟表示。

  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,正式迈上航天载荷的研制征途。“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,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。“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。”熊伟说。

  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。

  最重要的是,航天项目不可返工,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装置,这相当于一个秤的砝码。

  “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。”熊伟说。

  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。

  年轻的力量

  2009年,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,原理说起来都清楚,但实施起来却无从下手,只能靠自己不断尝试、调试。

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

  如今,路美娜对各种类型的载荷“成像”都轻车熟路。“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。”她说。

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

  2017年12月,熊伟团队承担高分五号02星4台载荷的研制工作。与01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。

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

  熊伟介绍,卫星载荷研制涉及光学设计、机械设计、电子学设计、软硬件开发、数据反演等多学科内容。目前,团队拥有固定成员30多名,平均年龄35岁。团队先后获得安徽省科学技术进步奖一等奖2项、航天贡献奖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,目前,他们正在研制两台装载在“大气二号”卫星上的载荷。

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