“中國數據”為全球大氣環(huán)境監測作貢獻

熊偉(右一)在指導研究生設計。齊瓊/攝

環(huán)境污染和氣候變化，是制約全球經(jīng)濟和社會(huì )可持續發(fā)展的重大因素，事關(guān)國際社會(huì )共同利益，也關(guān)系地球的未來(lái)。

在安徽合肥西郊風(fēng)景秀麗的科學(xué)島上，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機械研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)安光所)有一支隊伍，數十年來(lái)，潛心研制星載大氣成分遙感探測載荷，有力填補了我國在大氣成分數據方面的空白與不足，保障了“中國數據”的自主可控和真實(shí)可靠，為環(huán)境監管治理和氣象氣候研究提供了有力手段，提升了我國在環(huán)境外交中的話(huà)語(yǔ)權。

“近期獲得中國科學(xué)院科苑名匠團隊的榮譽(yù)稱(chēng)號，是對我們工作非常大的激勵和鼓舞。”團隊負責人、安光所副所長(cháng)熊偉告訴《中國科學(xué)報》。

首獲第一手“中國數據”

衛星載荷，就是衛星上裝載的實(shí)現特定衛星任務(wù)的儀器或設備。它相當于一臺高分辨率“太空相機”，可以給大氣“拍照”，獲取大氣成分數據。

“每一種氣體都有獨一無(wú)二的光譜信息，如同人的指紋。研究人員首先通過(guò)載荷獲取這種‘指紋信息’，分析出它是什么氣體，再根據光譜的深淺變化反演出氣體濃度變化，最終準確評估氣體的狀態(tài)及其影響。”熊偉說(shuō)。

大氣環(huán)境除了與人們的生活息息相關(guān)，還與國家的環(huán)境外交有很重要的關(guān)系。

熊偉介紹，很長(cháng)時(shí)間里，我國對污染氣體和溫室氣體的監測，比如二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、甲烷等，主要依靠歐美及日本的衛星數據。因此，在很多環(huán)境污染問(wèn)題上，中國顯得相對被動(dòng)，很難有發(fā)言權。

2018年5月9日，我國首顆高分辨率大氣環(huán)境觀(guān)測衛星——高分五號01星成功發(fā)射。衛星上搭載了6臺有效載荷，其中3臺由熊偉團隊研制。這3臺載荷使得我國從此可以定量獲得空氣質(zhì)量變化、污染氣體分布輸運的數據。

隨后，針對我國對大氣成分數據的迫切需求，熊偉團隊多次承擔了高分專(zhuān)項、空間基礎設施等重大專(zhuān)項中高分五號02星、環(huán)境減災二號衛星以及陸地生態(tài)系統碳監測衛星等16顆衛星、多類(lèi)型20臺/套載荷的研發(fā)。

“這些載荷對中國獲取、分析全球大氣環(huán)境數據，最終發(fā)布‘中國數據’起到了重要作用，為我國增強氣候變化監測、環(huán)境監測、應急減災等方面能力提供了重要支撐。”熊偉表示。

將載荷“搬上”衛星

2011年12月，熊偉團隊首次承擔高分五號01星載荷研制項目，正式邁上航天載荷的研制征途。“研發(fā)的設備能跟隨衛星上天，這是科技工作者的榮耀。”熊偉說(shuō)。

在此之前，他們一直在研發(fā)地面探測設備，并取得了諸多成果。這為航天載荷研制奠定了堅實(shí)基礎。

衛星載荷研制最大的難點(diǎn)在于提高精確度。“比如，目前二氧化碳濃度已達420ppm，而它一年的變化量只有1ppm，載荷首先要在萬(wàn)米高空上‘拍到’1ppm這么小的變化量，然后測算出它變化了多少，技術(shù)上的挑戰是非常大的。”熊偉說(shuō)。

不同于一般項目，航天項目都設有嚴格的時(shí)間節點(diǎn)。“時(shí)間緊、任務(wù)重，是研制的另一個(gè)難點(diǎn)。所以加班加點(diǎn)是常有的事。”熊偉說(shuō)。

同時(shí)，把衛星載荷這些“大家伙”從實(shí)驗室“搬上”衛星，還需要“過(guò)五關(guān)、斬六將”，在進(jìn)入發(fā)射場(chǎng)前，還會(huì )進(jìn)行震動(dòng)試驗、高低溫試驗等整星試驗。

最重要的是，航天項目不可返工，必須一次成功。為確保衛星載荷“零差錯”，他們在載荷上裝載了一個(gè)定標裝置，這相當于一個(gè)秤的砝碼。

“我們把太陽(yáng)當成一個(gè)標準源，通過(guò)比對載荷觀(guān)測太陽(yáng)的變化，計算出載荷的衰變，進(jìn)而修正載荷的觀(guān)測數據。”熊偉說(shuō)。

一點(diǎn)點(diǎn)探索，一點(diǎn)點(diǎn)解決……熊偉帶領(lǐng)團隊，攻克了空間外差超光譜技術(shù)、痕量差分光譜探測技術(shù)、多角度偏振探測技術(shù)等多種關(guān)鍵技術(shù)，解決了在軌高精度定標及定量化應用等技術(shù)難題。

年輕的力量

2009年，在科學(xué)島上攻讀研究生的路美娜加入了熊偉團隊。在導師的指導下，她擔起讓載荷“成像”的任務(wù)。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是讓載荷給大氣‘拍照’，把光信號轉換成電信號，對電信號進(jìn)行采集及傳輸。”路美娜說(shuō)，原理說(shuō)起來(lái)都清楚，但實(shí)施起來(lái)卻無(wú)從下手，只能靠自己不斷嘗試、調試。

路美娜已記不清自己花了多長(cháng)時(shí)間、經(jīng)歷了多少次失敗，但一直記得載荷傳出圖像那一刻的感受。“真的特別激動(dòng)。”

如今，路美娜對各種類(lèi)型的載荷“成像”都輕車(chē)熟路。“做科研最重要的是獨立摸索，在過(guò)程中積累經(jīng)驗，相信付出就會(huì )有收獲。”她說(shuō)。

凌明椿也是從研究生階段進(jìn)入團隊的。“老師們很注重對我們的培養，敢于放手讓大家嘗試，我們也得以迅速成長(cháng)。”

2017年12月，熊偉團隊承擔高分五號02星4臺載荷的研制工作。與01星不同，這次項目管理單位提出了“一步正樣”的要求，即衛星載荷研制階段直接從原先的原理樣機、工程樣機、初樣、正樣調整為正樣。

這給團隊帶來(lái)了很大的挑戰。彼時(shí)，路美娜、凌明椿等年輕力量挑起了大梁，他們站在前輩的“肩膀”上，一年時(shí)間內迅速研制出4臺衛星載荷。

熊偉介紹，衛星載荷研制涉及光學(xué)設計、機械設計、電子學(xué)設計、軟硬件開(kāi)發(fā)、數據反演等多學(xué)科內容。目前，團隊擁有固定成員30多名，平均年齡35歲。團隊先后獲得安徽省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎2項、航天貢獻獎等多個(gè)集體榮譽(yù)和個(gè)人獎項。

在熊偉看來(lái)，與一群志同道合的同事朝著(zhù)一個(gè)共同的目標，把一件原本認為不可能完成的事情做成了，滿(mǎn)足了國家的需求，這便是做科研最大的樂(lè )趣。

“未來(lái)，我們將進(jìn)一步發(fā)展相關(guān)載荷技術(shù)，力爭為我國環(huán)境、氣象、資源、遙感等領(lǐng)域的科技自立自強作出更大貢獻。” 熊偉表示，目前，他們正在研制兩臺裝載在“大氣二號”衛星上的載荷。