張曉輝:微波探測月球,我們是第一個

2007年12月10日09:45  來源:科學時報

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  北京時間11月27日夜,嫦娥一號衛星搭載的微波探測儀開始工作。

  “一切都很順利!”

  “利用微波遙感手段對月球進行探測,這在世界上是第一次﹔提出探測月壤厚度的科學目標也是世界首次。”

  承擔該項探測任務的嫦娥一號衛星有效載荷微波探測儀,由中國科學院空間科學與應用研究中心設計並研制,該分系統主任設計師張曉輝近日接受了《科學時報》的採訪。

  微波探測目標直指月壤

  張曉輝說:“嫦娥一號搭載的微波探測儀的主要任務就是探測月壤的厚度信息,以前在阿波羅號登月的時候曾經採集過月壤,除此之外,再沒有以這樣的科學目標來探測月球。科學目標是我們空間中心的姜景山院士提出的,他很早就參與探月工程的論証工作,是探月工程的幾個發起人之一。”

  在美國等國家的探月計劃中,都有從月球帶回月球物質、在月球上建立永久基地,甚至採集月球上的氦-3為地球所用等計劃。

  張曉輝說:“氦-3分布在月壤之中,探測出月壤的厚度信息,就可以估算出氦-3的分布﹔此外,探測出月壤厚度比較均勻的地方,也有利於為嫦娥二期工程中的著陸計劃的實施提供參考。”

  嫦娥一號衛星搭載的微波探測儀,主體上分3部分:兩套天線和一套微波接收機﹔微波接收機將接收到的微波信號放大,然后量化,變成數字編碼,傳送給公用系統,返回地面。

  “所有高於絕對零度(-273.15℃,理論上說不可能有比這個溫度更低的物體)的物體,都以各種方式向外輻射能量。輻射能量高的比如太陽,我們都能感覺到它的熱量﹔房間裡的各種物體,也在不斷向外輻射能量。就月球表層和次表層組成來說,包括月塵、月壤和月岩,這三種東西輻射出來的能量是不一樣的,最下層的月岩輻射的能量可以穿透月壤和月塵,通過月表輻射出來,同樣,月壤和月塵也各自都有能量輻射出來。”

  張曉輝說:“為了區別這3種不同物質輻射出來的能量,我們設計了4個頻段的微波輻射計:3G赫茲、7.8G赫茲、19.35G赫茲和37G赫茲。衛星在月球表面經過27.3天(月球上的一天)的飛行,這4個頻段的微波輻射計就可以將衛星軌跡下面的月壤普查一次,獲得月球表面微波輻射圖。4個波段的探測可以獲得4張圖,通過差別比較、理論分析和計算,就可以得到月壤在全月球分布的大致信息。”

  從理論上說,37G赫茲的頻段隻能接收月球淺表層的月塵輻射出來的能量,3G赫茲的頻段能接收到月岩、月壤和月塵輻射的能量之和,7.8G赫茲和19.35G赫茲的頻段接收的能量輻射介於這兩者之間。

  熟悉的儀器 陌生的征程

  11月13日,嫦娥一號衛星搭載的各種有效載荷還沒有開始工作。張曉輝在辦公室接受記者採訪時,電話突然響起。

  放下電話,張曉輝說:“我們接到通知,開始安排值班了,一個值班點在中科院國家天文台月球與深空探測科學應用中心,另一個值班點在BACC(北京衛星指控中心)。”

  “運行指令事先都已經做好了,並且經過了驗証,一切准備就緒了。”

  其實早在神舟四號飛船上,就已經搭載了微波探測儀等類似的設備,對地球海冰的厚度、土壤的濕度、積雪的分布等各種環境問題進行了成功探測﹔即將發射的風雲3號衛星也搭載了中科院空間中心研制的微波濕度計,用於測量大氣層的水汽含量,進行天氣預報。

  “這些微波探測設備的原理構造都差不多,只是頻段不一樣。”參與過多個微波探測設備設計的張曉輝,雖然對歷經5年時間親手設計的探月專用微波探測儀再熟悉不過,但還是對儀器的首次月球之旅放心不下,“我想馬上就親自看一眼儀器現在是什麼樣子。想要看看探測的數據是否和預想結果吻合,能否獲得一個最佳的探測結果﹔另外,還要保証不出意外”。

  無條件服務整體工程

  “有特殊要求就有難度,設計一個地面使用的設備並不難,一旦‘上天’就會有各種限制,其中儀器‘體重’是一個重要因素。”張曉輝說。

  根據2003年上半年嫦娥一號衛星的申報要求:除天線外,微波探測設備的總重量不超過規定值。

  “那時,8個天線的構想都沒有出來,天線部分的重量就沒有報,后來當嫦娥一號需要搭載的8個有效載荷做出來的時候,才發現總重量超了很多。”張曉輝說,“后來8個天線設計出來的重量不包括在給微波探測設備的總重量上限之內,也就是說8個天線的重量要自己想辦法。”

  姜景山院士是整個繞月探測工程副總師,他訂了一條規矩:“哪個有效載荷的重量減不下去,哪個項目就不上了﹔重量指標分給其他有效載荷。”

  張曉輝說:“大家都在‘減肥’,微波探測儀減得比較多一些,到拿出初樣的時候,微波探測儀的體重已經減到了規定限值以下了。”

  與“減肥”相比,“歸零過程”也是比較艱難的任務。

  “我們的儀器遇到了任何問題,都要‘歸零’處理,有五個步驟:定位准確、機理清楚、問題復現、措施有效、舉一反三。”張曉輝脫口而出,“一旦出現問題,首先要確定是什麼原因引起的﹔第二要明白,為什麼發生問題﹔第三,要故意犯一下錯,看問題還會不會出現,確實有問題才可以改﹔第四,修改的措施一定要有效﹔第五,還要將類似的情況全都清查一遍,看有沒有類似錯誤,這樣才能真正把錯誤改掉。”

  張曉輝說:“話是這麼說,但是有時候真的比較麻煩,如果是經常出現的問題倒好辦了,就怕問題不出現。在正樣制造過程中,儀器中的一塊電路板出現了問題,幾乎所有的檢測手段都用上了,最后發現,一個電焊渣在刷膠的時候留在了漆裡,我們把儀器上所有的電路板都用放大鏡看了一遍。”

  微波探測儀研制小組於2003年12月完成了模樣產品,2004年啟動初樣研制,2005年8月正樣設計評審通過,2006年3月正樣研制結束,交付衛星使用。

  “大家都很辛苦,工程任務的完成都有一個節點,到哪一步完成哪些任務都有一個時間限制,這在項目開始時就有一個基本框架。不僅是我,中科院所有有效載荷工作團隊都是按照這個框架走。我們要無條件服務整體工程。”張曉輝說。

(責編:趙竹青)
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