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不许言败的“第一次”——“嫦娥一号”完美谢幕的幕后故事

[来源:上海科技] [日期:2010-01-09]

  当“嫦娥一号”冲向月面,完成“很美很壮烈”的最后一撞时,它并不知道,它身上搭载的由中科院上海技术物理研究所和上海光学精密机械研究所研制的激光高度计,刚获得了“上海市科技进步一等奖”;它也不知道,正默默为它测最后一次轨的中科院上海天文台VLBI系统,得到了同样的荣誉。当“嫦娥一号”以完美一撞谢幕之际,这两支曾为造就它呕心沥血的科研团队,又投入了新的冲刺。
    
挑战:“第一次”必须成功
    
    把激光器送上天,在“嫦娥一号”之前,中国人还没尝试过;把观测遥远天体的VLBI(甚长基线干涉系统)用于月球卫星实时定轨,在“嫦娥一号”之前,地球人都还没尝试过。这“天下之先”,因着“探月工程”,我们不仅尝试了,还一次成功——当然,也必须一次成功。
    
    时任中科院上海技术物理所所长、激光高度计项目负责人的王建宇说,那是集合了全国相关科研力量的一次攻关。由于技术的敏感性与特殊性,激光高度计的所有核心部件必须自主研发。中科院上海光机所在制造激光器方面,有着独特优势,但他们的激光器从未上过天。“器件必须要能适应太空环境,必须耐得住剧烈的温度变化和宇宙射线的轰击,还必须能在真空和失重状态下保持良好性能。”王建宇说,“这就得对元部件一个一个地改造、测试,直到全部达标。”这谈何容易!
    
    VLBI原本用于观测百万光年外的遥远天体,属于天文学基础研究的设备,可“探月”的国家需求促使它来了一次奇迹般的角色转换。由于我国没有深空探测站,如果仅用航天S波段测控系统,“嫦娥”奔月时横向测量精度不够,这样“嫦娥”被月球捕获时测轨的误差会比较大。而我国从上世纪70年代开始建设的VLBI系统,恰恰是深空横向定位的高手,其精度可达毫角秒级——月球表面一个2米长的物体,它一“眼”就能定出精确的位置。不过这套设备的稳定性、实时性,那时都还达不到要求:探月工程要求在10分钟内算出轨道数据,并传送到飞控中心,而当时我国的VLBI系统没有数据处理能力,它用磁带记录下数据后,通常要过1个月左右才能把数据送到处理中心。要完成这全球“第一次”的角色转换,谈何容易!
    
磨砺:攻坚克难不舍昼夜
    
    当“嫦娥一号”撞上月球那一刻,激光高度计并未开启。“这可是我们的心血啊!”王建宇说起那一刻,很有点舍不得。为了将这个激光器送上天,中科院上海技术物理所、上海光机所、半导体研究所等多家科研机构精诚合作,日夜攻关,才交出了满意的作品:激光灵敏度超过“月亮女神”所搭载的日本制造的激光高度计,而重量只有15公斤,比日本的整整轻了4公斤。
    
    上天的器件,就怕能量大,而高度计的激光器瞬时功率可达30兆瓦,在地面上也算大功率——能把几米开外的铁板打得直冒火花;可这么大功率的激光“走”200公里(“嫦娥一号”在绕月轨道的高度),打在月球表面,返回的信号却是微弱的,这一强一弱,包含了无数难题。还有,研究人员发现传统大功率激光器在真空状态下能量衰减很快,寿命离要求指标相差很多。此时,离交付产品的期限只剩下半年多一点的时间。通过多次试验,为激光器重新设计“太空服”,终于成功地将它的寿命提高到1年以上,克服了“上天”瓶颈。
    
    相比激光高度计的研制,VLBI系统要经历更多的“从无到有”。“我们必须自主开发实时相关处理系统,当时全球只有五六个国家有这样的能力,核心技术全部保密。”中科院上海天文台研究员、探月工程VLBI分系统项目技术负责人张秀忠介绍,他们“两条腿走路”,同时开发软件和硬件实时相关处理系统。“软件灵活但运算速度慢,硬件研发周期长但运算速度快。结果到验收时,两套系统都成功了。”2007年10月25日,VLBI系统开始为“嫦娥一号”测轨时,处理中心从接收数据到将结果报给飞控中心,只用了5分钟!
    
惊喜:跨前一步天地更宽
    
    连通北京、上海、昆明、乌鲁木齐四地的射电望远镜,将VLBI数据实时传回处理中心,满足了探月工程的需要。同样让天文台惊喜的是,这番技术推进,使我国的VLBI观测技术走到了世界前沿。去年,在芝加哥召开的国际无线电联盟大会上,我国学者关于VLBI用于深空导航的报告,引起了很大反响。今年10月,中俄将联合发射火星探测器“萤火一号”,届时我国VLBI系统也将为其导航。
    
    “更让我们惊喜的是,VLBI在探月工程中获得的技术提升,为我们的基础研究带来了许多好处。”上海天文台台长洪晓瑜告诉记者,VLBI具有数据处理能力后,他们已可独立做一些观测,开展类星体致密结构等前沿研究。“以前我们要把观测到的数据拿去国外处理,获得些二手资料。”他说,有种看法认为,基础研究与工程应用往往相距较远,但VLBI恰恰实现了工程应用与基础研究的良性互动。
    
    同样,将激光器送上太空并顺利完成一年工作任务后,空间激光应用的大门应声而开。“其实,激光在空间的应用非常广泛,比如空间激光通讯、空间激光探测都是很前沿的课题。”王建宇说,现在卫星通讯一般用无线电进行传输,但光比无线电的频率高出很多,其承载的信息量理论上是无线电的万倍以上。

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