他們的五十一載追夢(mèng)“風(fēng)云”路

2021年，我國(guó)計(jì)劃發(fā)射風(fēng)云四號(hào)B星和風(fēng)云三號(hào)E星，“十四五”時(shí)期計(jì)劃共發(fā)射7顆風(fēng)云衛(wèi)星。隨著風(fēng)云衛(wèi)星家族的不斷壯大，我國(guó)天氣預(yù)報(bào)和氣象災(zāi)害預(yù)警的能力也不斷提升。

我國(guó)風(fēng)云衛(wèi)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(qiáng)。如今，我國(guó)已成功發(fā)射17顆風(fēng)云衛(wèi)星，7顆在軌運(yùn)行。

“風(fēng)云之路”的輝煌離不開一雙雙“慧眼”——有效載荷，它是氣象衛(wèi)星的“眼睛”，獲取的數(shù)據(jù)可生成各種云圖、海面溫度、植被指數(shù)等一系列產(chǎn)品。有效載荷的研制水平是決定氣象衛(wèi)星工作性能水平的關(guān)鍵。中科院上海技術(shù)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱：上海技物所）全程參與了這17顆衛(wèi)星有效載荷的研制工作，完成相關(guān)產(chǎn)品研制28臺(tái)（套），為我國(guó)空間光電載荷技術(shù)發(fā)展，以及大氣探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代和逐步超越國(guó)際水平作出了重要貢獻(xiàn)。

風(fēng)云三號(hào)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）

從無到有

1965年，美國(guó)發(fā)射了世界上第一顆實(shí)用性軍用氣象衛(wèi)星“布洛克”一號(hào)，向全球播送數(shù)據(jù)信息，它的出現(xiàn)揭開了人類準(zhǔn)確預(yù)測(cè)天氣的序幕。

“衛(wèi)星數(shù)據(jù)全球播送后，我國(guó)開始接收美國(guó)氣象衛(wèi)星輻射計(jì)的數(shù)據(jù)（云圖），發(fā)現(xiàn)它在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)等方面獲得了很好的效果?！敝袊?guó)工程院院士、上海技物所研究員龔惠興說。

自1970年我國(guó)籌謀發(fā)展氣象衛(wèi)星伊始，上海技物所就配合國(guó)家氣象局等單位積極進(jìn)行氣象衛(wèi)星探測(cè)儀器的調(diào)研、先期部署和研發(fā)。按照風(fēng)云一號(hào)的規(guī)劃部署，上海技物所負(fù)責(zé)研制觀測(cè)地球氣象狀況的遙感儀器——甚高分辨率掃描輻射計(jì)（以下簡(jiǎn)稱：掃描輻射計(jì)）。

掃描輻射計(jì)進(jìn)入預(yù)研階段，龔惠興受命出任研制組副組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)技術(shù)攻關(guān)，目標(biāo)是瞄準(zhǔn)當(dāng)時(shí)美國(guó)新發(fā)射氣象衛(wèi)星使用的48轉(zhuǎn)/分鐘掃描輻射計(jì)。

就在提交儀器設(shè)計(jì)方案不久，龔惠興卻因肝炎住院了。住院大半年后，為了研發(fā)任務(wù)，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(chǔ)藏室工作，避免與旁人過多接觸?！饼徎菖d告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，那時(shí)條件雖艱苦，他還是“一根筋”地只想把儀器做出來。

經(jīng)過7年的預(yù)研，掃描輻射計(jì)多項(xiàng)參數(shù)都已確定。1977年，我國(guó)第一顆氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號(hào)進(jìn)入工程研制軌道。

當(dāng)年11月，氣象衛(wèi)星工程大總體方案論證會(huì)召開。就在這時(shí)，世界氣象組織發(fā)布通告：美國(guó)準(zhǔn)備從1978年起，將新發(fā)射氣象衛(wèi)星信號(hào)全部從模擬制式改成數(shù)字制式，具有5個(gè)通道，同時(shí)將分辨率從8000米提高到1000米，數(shù)據(jù)精度提高64倍。

“這意味著，如果風(fēng)云一號(hào)還按照原來的設(shè)計(jì)上天，無論從數(shù)據(jù)制式還是數(shù)據(jù)精度，都不會(huì)有國(guó)家使用它的數(shù)據(jù)，它便沒有存在的意義?！饼徎菖d解釋。

面對(duì)“風(fēng)云突變”，主持掃描輻射計(jì)系統(tǒng)研制工作的中國(guó)科學(xué)院院士、時(shí)任上海技物所研究室主任匡定波當(dāng)場(chǎng)提出：我們要提升技術(shù)指標(biāo)。

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

一年后，上海技物所研究團(tuán)隊(duì)還是“啃下了這塊硬骨頭”，超出預(yù)期完成任務(wù)。

風(fēng)云一號(hào)原本只設(shè)計(jì)了3個(gè)用于氣象的觀測(cè)通道，為提高衛(wèi)星使用效益，龔惠興大膽提出：“可以再加兩個(gè)通道給海洋?！?br />
于是，在衛(wèi)星系統(tǒng)不作改動(dòng)、原遙感系統(tǒng)僅作少量改動(dòng)的情況下，掃描輻射計(jì)增加了兩個(gè)探測(cè)通道用于海洋水色觀測(cè)，使得風(fēng)云一號(hào)兼有氣象和海洋觀測(cè)的雙重功能。

1988年，風(fēng)云一號(hào)A極軌氣象衛(wèi)星成功發(fā)射，不僅實(shí)現(xiàn)了我國(guó)氣象衛(wèi)星從無到有的跨越，也讓我國(guó)衛(wèi)星海洋遙感提前起步，填補(bǔ)了國(guó)際空間海洋水色觀測(cè)的空缺。

“我國(guó)氣象衛(wèi)星很有特色，很有面子?！笨锒úǜ袊@。

從小變大

“風(fēng)云之路”徐徐鋪開。1997年，風(fēng)云二號(hào)A靜止氣象衛(wèi)星的成功發(fā)射，使我國(guó)成為繼美國(guó)、歐盟之后，第三個(gè)同時(shí)擁有極軌和靜止氣象衛(wèi)星的國(guó)家（地區(qū)），風(fēng)云衛(wèi)星星座初具雛形。

“我這大半輩子，都是在風(fēng)云衛(wèi)星上。”在中國(guó)科學(xué)院院士、風(fēng)云二號(hào)副總設(shè)計(jì)師陳桂林看來，自己的“風(fēng)云事業(yè)”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(wù)：研制風(fēng)云二號(hào)的核心儀器——多通道掃描成像輻射計(jì)。自此，他開啟了“風(fēng)云航行”。這個(gè)過程中說不清遇到過多少“大風(fēng)大浪”，僅在研制的第一階段，就攻克了240多個(gè)技術(shù)難關(guān)。

當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)并沒有多通道掃描成像輻射計(jì)核心器件波紋管的研制基礎(chǔ)，如果從法國(guó)進(jìn)口，需要2000萬(wàn)法郎，可當(dāng)時(shí)整個(gè)衛(wèi)星的研制費(fèi)用才不到1000萬(wàn)法郎?！八晕覀円咦约旱穆罚粤Ω话??！标惞鹆终f。

為了這個(gè)波紋管，陳桂林團(tuán)隊(duì)幾乎跑遍了國(guó)內(nèi)所有地方，最后在北京找到了一位會(huì)加工波紋管的師傅，在四川找到了可以制造材料的機(jī)器。反復(fù)調(diào)整試用，經(jīng)歷3年多，波紋管問題才得以解決。

此外，掃描輻射計(jì)的升級(jí)有諸多難點(diǎn)，有資源和技術(shù)限制，人員也短缺。風(fēng)云二號(hào)H星掃描輻射計(jì)主任設(shè)計(jì)師、上海技物所研究員陳福春向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》坦言：“很少有人比陳桂林更熟悉輻射計(jì)了?！?br />
2017年底，在風(fēng)云二號(hào)H星的一次試驗(yàn)中出現(xiàn)了一個(gè)干擾的多余信號(hào)，大家一時(shí)難以判斷信號(hào)來源。最后，還是陳桂林把試驗(yàn)流程再走一遍后，找到了信號(hào)源頭。

創(chuàng)業(yè)難，守業(yè)更難?！?到1的這條路很長(zhǎng)，我們手握成功的接力棒，肩上是必須成功的重?fù)?dān)。”陳福春把每一代掃描輻射計(jì)都看作是一個(gè)新開始。

1986年至今，上海技物所為風(fēng)云二號(hào)全系列發(fā)射的8顆衛(wèi)星研發(fā)的核心光學(xué)載荷多通道掃描成像輻射計(jì)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品可靠性達(dá)到自旋衛(wèi)星平臺(tái)同類遙感儀器國(guó)際先進(jìn)水平。如今，風(fēng)云二號(hào)向包括非洲東部、西亞、中亞、南亞在內(nèi)的諸多國(guó)家地區(qū)提供氣象資料和信息，為提升我國(guó)國(guó)際影響力作出重要貢獻(xiàn)。

從弱變強(qiáng)

氣象衛(wèi)星是用于大氣觀測(cè)和生態(tài)觀測(cè)的功能衛(wèi)星，測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確性是它的生命線。在風(fēng)云一號(hào)、二號(hào)有效載荷研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)新一代氣象衛(wèi)星的技術(shù)水平又邁上了新的臺(tái)階。

2017年11月發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)D星是我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星的第二顆業(yè)務(wù)星，被譽(yù)為探測(cè)全球大氣的“超級(jí)慧眼”。與風(fēng)云三號(hào)前一顆C星相比，其核心遙感儀器的可靠性、穩(wěn)定性和探測(cè)精度都有進(jìn)一步的提高。

值得一提的是，風(fēng)云三號(hào)D星搭載的中分辨率光譜成像儀是世界上首臺(tái)能夠獲取全球250米分辨率紅外分裂窗區(qū)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。“目前為止，其他國(guó)家的氣象衛(wèi)星還不能達(dá)到這個(gè)水平。”風(fēng)云三號(hào)紅外高光譜大氣探測(cè)儀主任設(shè)計(jì)師、上海技物所研究員顧明劍說。

“衛(wèi)星儀器的更新?lián)Q代需要反復(fù)論證、預(yù)演等，從工程樣機(jī)到工程立項(xiàng)，往往要花10年?！鳖櫭鲃Ω嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，風(fēng)云三號(hào)D星從開始啟動(dòng)研制到發(fā)射僅用了四五年。

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

2017年9月，風(fēng)云四號(hào)掃描輻射計(jì)獲取的全球圖像取代美國(guó)宇航局第一張地球全景圖，在微信啟動(dòng)頁(yè)展示。這顆衛(wèi)星上還搭載了我國(guó)氣象衛(wèi)星的一個(gè)獨(dú)門秘笈——干涉式大氣垂直探測(cè)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(wèi)星上?！?br />
任務(wù)交給了上海技物所研究員華建文。

“說實(shí)在的，把輻射計(jì)和探測(cè)儀同時(shí)放在一個(gè)衛(wèi)星上，挺難的。”華建文告訴記者，美國(guó)曾放棄了“一星雙載”的計(jì)劃，分別用兩顆衛(wèi)星裝載這兩種儀器。當(dāng)時(shí)也有人提議：“要不我們晚一點(diǎn)再上干涉儀吧，這樣技術(shù)上會(huì)比較輕松?！?br />
但科學(xué)本身就有“風(fēng)險(xiǎn)”，華建文一心想做成這件事。經(jīng)過反復(fù)預(yù)演、調(diào)整，華建文帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)把理想變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。

2016年12月，風(fēng)云四號(hào)A星作為國(guó)際上首顆同時(shí)裝載多通道掃描成像輻射計(jì)和干涉式大氣垂直探測(cè)儀的高軌氣象衛(wèi)星，成功發(fā)射。在世界上首次實(shí)現(xiàn)了靜止軌道高光譜大氣垂直觀測(cè)，帶領(lǐng)我國(guó)高軌氣象衛(wèi)星搶占國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。

“最后做出來了，我心里快活?！比A建文笑著說。

“干一代型號(hào)，培養(yǎng)一代人。在上海技物所這個(gè)院子里，老一輩科學(xué)家和青年骨干們一步步地實(shí)現(xiàn)了將紅外、光電技術(shù)應(yīng)用于氣象衛(wèi)星?！鄙虾＜嘉锼L(zhǎng)丁雷說，按照“十四五”規(guī)劃，上海技物所將繼續(xù)鉆研高精度高定量遙感技術(shù)，積極推進(jìn)風(fēng)云五號(hào)、風(fēng)云六號(hào)核心光學(xué)載荷研制，更多更好地服務(wù)于全國(guó)人民和全球大眾。

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