揭秘碳卫星载荷研发

2016年03月10日08:47  来源:新华社
 

由我国自主研制的首颗全球大气二氧化碳观测科学实验卫星(以下简称“碳卫星”)将于今年5月出厂,目前卫星所有载荷已完成初样研制,各项工作已进入收官阶段,并将于8月发射。

这颗卫星搭载了一体化设计的两台科学载荷,分别是高光谱二氧化碳探测仪以及起辅助作用的多谱段云与气溶胶探测仪。目前,由中科院长春光机所负责研发的两台载荷已经完成设计研制。

鲜为人知的是,这两台载荷的设计科研团队平均年龄只有32岁。

历时5年的攻关

如何通过高光谱二氧化碳探测仪来检测大气中的二氧化碳浓度,中科院长春光机所研究员郑玉权解释说,光在大气中传播时会被大气部分吸收,利用空气中气体分子的窄带吸收特性可鉴别气体成分,并根据窄带吸收强度推演出痕量气体的浓度。高光谱二氧化碳探测仪主要用于精准测量大气的吸收谱线,再通过地面应用系统一整套复杂的反演过程计算大气中的二氧化碳的总量,进而知道各个地区的碳排放情况。

“二氧化碳探测仪是一种高精度定量测量仪,其对核心技术攻关和工程化研制的要求都非常高。”郑玉权说。

2010年,科技部设立了“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目,打算发射一颗搭载两台有效载荷的碳卫星,并在全国范围内公开招标。中科院长春光机所在两台载荷的分开招标中竞标成功。

“当时,我们提出将两台载荷进行一体化设计,以集约卫星上宝贵的重量、功耗等资源。两台载荷在实际设计研制中也实现了结构和电控一体化。”郑玉权说。

该所助理研究员蔺超介绍说,这台高光谱二氧化碳探测仪性能指标要求特别高,尤其表现在光谱分辨率上,其最高光谱分辨率要优于0.04个纳米。

根据要求,这台仪器要具备3个谱段,每个谱段分别是20、30、40个纳米的带宽,再在里面进行采样最终形成谱线。其中有很多核心元器件制造和集成的技术难题需要克服。“这些核心元器件需要我们所自己研发制造,此外技术攻关和仪器工程化设计也要同时进行,这对我们是巨大的考验。”蔺超说。

郑玉权表示,这台仪器研发中的一个关键技术攻关是大口径高精度衍射光栅制造。高光谱二氧化碳探测仪使用的衍射光栅同时要求大口径、高面型精度和高衍射效率,这在国内尚属首次研制,经过一年半的研发,科研人员研发出以碳化硅材料为基底的大口径衍射光栅。

此外,高可靠性长寿命指向反射镜的制造技术也十分关键。蔺超表示,该指向镜须一镜两用,正反面均需要光学加工,一面是反射镜,另外一面是漫反射面,两面的加工不能相互干扰,也不能太厚,而且要可灵活转动。这个工艺也非常难,但科研人员最终还是如期攻克了难关。

32岁的年轻团队

去年12月下旬,两台载荷正样顺利完成热真空环境试验。定标团队成员正在对其进行光谱定标和辐射定标工作。工作按计划要在半月内完成,并在春节期间运往卫星总体单位上海微小卫星工程中心进行整星试验测试。

记者注意到,已经完成研制的载荷被装在特殊设计的真空、低温的罐子内进行。“我们完全模拟卫星在太空运行时的环境,来对仪器进行定标。”蔺超说。

实验室里可以看到墙角的折叠床。在过去5年间,这支平均年龄约32岁的团队曾经无数次地在这些折叠床上度过漫漫长夜。

“在接到这项任务时,我们的研究人员基本是二十七八岁,到现在任务接近结束时每个人都迈过了30岁的门槛。”蔺超感慨说。为了早日完成研制,这支30余人的团队克服了很多困难。

在高光谱二氧化碳探测仪研发进行到一半时,他们发现仪器有两个1.6微米和2.0微米的近红外通道,所用的红外探测器对温度干扰十分敏感。如果仪器内部温度超过一定标准,就会干扰信号,这对温控技术提出了很高要求,科研人员为此反复修改方案。同时,在完成技术攻关后,由于载荷上有40多片光学元器件,给仪器装调带来很大压力。

“为了保证温控环境,我们的仪器装调工作都在一个特殊的低温工作箱内进行。”蔺超说,当时正值夏季,科研人员却穿着羽绒服钻进零下5摄氏度左右的工作箱内进行元器件安装。

解决关键科学问题

碳卫星载荷有着极为重要的意义,通俗地说,有了它们,就可以从太空检测全世界所有国家的温室气体排放。这不仅可以评估各个国家是否履行减排承诺,还有助于更快、更高效地发现温室气体的排放源。

“从碳卫星的短期目标来看,发射成功后,我们完全可以给出全世界全年碳分布数据,也可以解释发达国家、不发达国家各自的碳贡献。特别是对中国来说,我们可以对全国各个省份、各个城市的碳排放量有详细的检测和分析,能够清楚知道哪个省份哪个区域有更多碳排放。”蔺超说。

但碳卫星的发射还有更为重大的科学目标和意义。科学家寄望,通过它发现全球的碳分布情况,找到二氧化碳的流动规律。“目前,科学界对二氧化碳的产生和沉降过程还需要大尺度的全球观测数据作进一步研究,我们寄望能够解决这一根本的科学目标。”(记者 彭科峰)

《中国科学报》 (2016-03-10 第3版 综合)

(责编:严佳黎(实习生)、赵竹青)

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