從跌跌撞撞到一路逆襲 原來“風云”是這樣的衛星

2021-02-02 09:34:17來源:科技日報

  
 
  風云四號衛星中國航天科技集團八院供圖
 
  [“十四五”時期我國共計劃發射7顆風云氣象衛星。到2035年,我國氣象綜合實力要達到世界先進水平,氣象深度融入民生保障和行業發展,氣象強國基本建成。]
 
  啟動微信,一個孤獨的小人凝望地球。這張美國國家航空航天局向世界公開的第一張完整地球照片名叫“藍色彈珠”。它是由阿波羅17號宇航員拍攝,視角在非洲大陸上空。
 
  每當中國航天科技集團八院氣象與環境總體室副主任、風云四號衛星主任設計師陳曉杰打開微信時,思緒總會不由自主地飛到2017年9月25日那天。
 
  那天是我國新一代靜止軌道氣象衛星風云四號A星正式交付投入使用的日子,微信啟動畫面隨之變臉——圖像仍是藍色地球,但展示的位置卻變成東半球,拍攝它的正是風云四號A星。
 
  “照片視角是從中國上空觀測到的地球,那種感覺很不一樣。”陳曉杰至今對此印象深刻。
 
  1969年初,一場罕見的雨雪冰凍災害席卷半個中國,而當時世界上擁有氣象衛星的國家只有蘇聯和美國。我國雖然能接收國外氣象衛星云圖,但只是單純的“黑白圖像”,無法挖掘原始數據、反演各種氣象要素,應用受到極大限制。
 
  1969年1月29日,周恩來總理提出:“要趕快改變落后面貌,搞我們自己的氣象衛星。”1970年2月,周總理親自簽發中共中央、國務院、中央軍委文件,下達了研制氣象衛星的任務。由此,我國氣象衛星事業正式起步。
 
  迄今為止,我國共成功發射17顆風云系列氣象衛星,目前有7顆在軌運行。這些最“知人冷暖”的衛星,在太空中觀察地球的風云變幻,提示我們添衣打傘。
 
  據中國氣象局消息,2021年我國計劃發射風云四號B星和風云三號E星,“十四五”時期共計劃發射7顆風云氣象衛星。“到2035年,我國要建立監測精密、預報精準、服務精細的氣象業務體系,氣象綜合實力達到世界先進水平,氣象深度融入民生保障和行業發展,氣象強國基本建成。”該局局長莊國泰透露。
 
  命運多舛,首星發射39天就“夭折”了
 
  1988年9月4日,風云一號衛星總設計師孟執中站在數十米高的發射塔架上,心中翻江倒海。
 
  那是我國首顆風云衛星原計劃發射的日子。但在指揮員發出“5小時準備”指令后,控制中心突然失去了衛星所有的遙測信號,發射被終止。
 
  風云一號衛星工程總設計師任新民下令就地檢查。孟執中、時任姿控系統主任設計師徐福祥帶著試驗隊員爬上塔架,緊張地給衛星做著“手術”。此時,四周沒有護欄,衛星下面是裝滿推進劑的火箭,每一個動作都要小心翼翼。
 
  讓孟執中倍感壓力的是,預定發射時間將至,各地臺站早已準備就緒,不斷打電話詢問消息;從北京到上海再到發射中心,沿途通信線路都部署了戰士值守,大家都在崗位上等待著發射的消息。塔架上的排障工作進展緩慢,孟執中既焦急,又愧疚。
 
  直到傍晚,故障原因終于查清,是遙測機的CMOS電路在特定情況下發生了“栓鎖”。試驗隊員將遙測機取下來連夜返修,第二天早上將它裝回衛星。
 
  3天后,歷時近10年研制的風云一號A星成功發射,使我國成為世界上第三個擁有極軌氣象衛星的國家。然而僅過了一個多月,意外再次發生。
 
  這天,國家衛星氣象中心工作人員發現,接收到的衛星云圖逐漸偏斜,最后只能看到地球的弧線。衛星失控了。
 
  時任中國氣象局局長鄒競蒙急切地問:還有辦法嗎?孟執中無言以對。
 
  由于沒有安裝備份設備,風云一號A星在眾目睽睽之下在太空“夭折”,此時距離它發射升空僅39天。
 
  一場世界航天史上罕見的衛星地面營救
 
  1990年9月3日,風云一號B星成功發射。它能及時為第十一屆亞運會提供氣象預報,但只過了十幾天,它就出現異常。
 
  科技人員及時完成了修復,但發現一個棘手的問題:衛星在元器件選用和軟件設計上沒有進行抗輻射加固,這一漏洞使計算機電路芯片暴露于空間高能粒子的轟擊下,很容易產生單粒子翻轉問題,隨時會引發計算機工作失常,姿控系統故障。
 
  漏洞無法填補,唯一的辦法是加強地面對衛星的監視,出現問題及時糾正。
 
  孟執中和徐福祥帶領科技人員分成2個工作組,輪流在西安衛星測控中心值班。他們利用衛星每天6次過境的機會,監視其在軌工作情況。
 
  1991年2月14日,大年夜里,衛星云圖突然發生扭曲,滾動不止。在隨后的75天里,工作人員不間斷地輪流執勤,開始了一場世界航天史上罕見的衛星地面營救行動。他們像急救醫生一樣,一次次讓“急癥”發作的風云一號B星恢復元氣。然而,頻繁的“手術”讓衛星元氣大傷,壽命大打折扣。
 
  最終,風云一號B星斷斷續續工作到1992年11月,在軌累計正常運行285天,未能達到1年的設計壽命指標。
 
  “兩彈一星”功勛科學家孫家棟院士,作為風云二號衛星工程總設計師與“風云”相伴了40多年。他曾說:“我一生做過多個衛星總師,風云二號最讓我難忘。”
 
  1994年2月,我國首顆地球靜止軌道氣象衛星——風云二號01星來到西昌衛星發射中心。經過多項測試后,衛星順利加注了燃料,裝上了固體遠地點發動機,只待開展轉場前的最后一次全面測試。
 
  4月2日上午,測試開始。10點50分左右,固體遠地點發動機燃燒爆炸,黑色濃煙夾著血紅的火光涌出來,觀測窗玻璃被震碎,廠房供電中斷。
 
  這次重大事故奪走了一位總裝工人的生命,并導致30多位試驗隊員受傷住院。由于不了解肼燃料的性能和危險性,忽視了防靜電和環境溫濕度要求,航天人遭受了慘痛教訓。
 
  風云一號C星打了個漂亮的“翻身仗”
 
  接二連三的事故,讓風云衛星研制陷入低迷。但一次次跌倒的航天人,又一次次倔強地站了起來。他們將沉甸甸的經驗教訓匯編成冊,成為指引后續工作開展的典型教材。
 
  被任命主持風云一號C星研制工作時,孟執中已經60歲了。此前的挫折讓他心有不甘。他分析,風云一號A星、B星未完成任務的原因,不在于性能指標沒有達到要求,而是由于可靠性不高造成中途夭折。研制1顆長期可靠、穩定運行的業務應用氣象衛星,成為團隊共同的目標。
 
  1999年5月10日,風云一號C星成功發射。這次發射后來被選為我國20世紀最后一年的3件大事之一,鐫刻于中華世紀壇。2000年8月,世界氣象組織將該衛星列入世界業務氣象衛星序列。
 
  風云一號C星打了個漂亮的“翻身仗”。它在軌穩定運行達7年,被譽為“太陽同步軌道長壽第一星”,揭開了我國氣象衛星事業上新的一頁。
 
  此后,風云衛星發展之路越走越順。
 
  2002年,風云一號D星發射,成為國內壽命最長的遙感衛星之一。2004年發射的風云二號C星,是當時國內應用最為廣泛的業務應用衛星,并獲得世界氣象組織的高度評價,被列為全球氣象衛星觀測網的重要業務衛星之一。2006年到2014年,我國先后發射4顆風云二號系列衛星,挑起了國家重大活動氣象保障重擔。
 
  2008年,北京奧運會開幕前夕,我國第二代太陽同步軌道氣象衛星風云三號首發星升空。此后,風云三號B星、C星、D星相繼發射,實現了對風云一號的升級換代。它們組網運行、功能互補,實現從二維成像到三維探測、從單一光學到全譜段寬波譜探測,并使全球數值天氣預報更新時間大幅縮短、預報時效延長,預報精度也進一步提高。
 
  在國際“暗戰”中逆襲,一顆星干兩顆星的活
 
  2021年1月15日,上海菜市場里的太湖矮腳菜,價格較10天前翻了一倍。當地媒體發現,這與近日連續出現的寒潮頗有關系。據氣象臺預報,1月16日又有寒潮侵襲,當地蔬菜供應單位提前部署,全力開展了應急保供工作。
 
  天氣變化影響著人們穿衣、出行,乃至生活的方方面面。國家衛星氣象中心遙感應用室主任、風云氣象衛星應用系統總設計師唐世浩介紹,為準確預報寒潮提供支撐,以及監測寒潮的發展和影響,只是風云衛星的“基本功”之一。
 
  尤其是被稱為中國氣象衛星界“實力擔當”的新一代靜止軌道氣象衛星——風云四號A星成功發射,使我國氣象衛星技術從跟跑、并跑轉向并跑、領跑,推動我國氣象綜合能力進一步提高。
 
  回想起風云四號A星的研制和發射,陳曉杰感覺像一場激烈的競賽。
 
  2016年,仿佛事先約定過一樣,中國、美國、歐洲、日本的新一代靜止軌道氣象衛星研制,均發展到緊要關頭,大家暗中較著勁。
 
  除了歐洲衛星由于種種原因至今尚未發射,2016年11月初,日本率先發射“向日葵9號”(Himawari 9)衛星。這顆衛星采用了許多美國的技術和產品,將代替該國此前發射的“向日葵8號”。
 
  11月19日,美國新一代靜止軌道氣象衛星GOES-R發射。業界評價說,與以前的氣象衛星相比,該衛星帶來的飛躍如同從黑白電視變成高清彩電。
 
  12月11日,我國風云四號A星發射。
 
  陳曉杰表示,風云四號A星不僅對地綜合觀測能力全球領先,還是國際上首顆單星實現對地“多光譜二維成像+高光譜三維探測+超窄帶閃電成像”綜合觀測的靜止軌道氣象衛星。
 
  過去,垂直探測儀器和成像觀測儀器的相互干擾,一直是國際上的難題。歐洲此前的做法是將兩者分別放在2顆衛星上工作。
 
  比起國際競爭對手,風云四號A星的性能毫不遜色。有人形容,這顆星同時干著2顆星的活。
 
  據風云四號衛星系統總設計師董瑤海介紹,該衛星通過自主研制的SAST-5000衛星平臺,實現了帶有運動光學部件的多載荷同時工作,各載荷和諧共處。
 
  該衛星搭載的多通道掃描成像輻射計,是當時我國靜止軌道衛星最先進的輻射成像儀,能夠每15分鐘對東半球掃描一次,最高空間分辨率達到500米。“500米精度對于接近36000公里高的地球靜止軌道來說,相當于在幾公里之外放置幾盞燭光,而且看得清清楚楚。”董瑤海說,這一精度與美國同期發射的GOES-R衛星相當。
 
  同時,風云四號A星搭載的干涉式大氣垂直探測儀,可以對大氣進行垂直探測;搭載的我國首臺星載閃電成像儀,可用廣角鏡頭盯住我國及周邊區域,不眠不休時刻準備拍攝,每秒能拍500張照片,記錄閃電的頻次和強度。
 
  15年后,氣象綜合實力全球領跑
 
  今年起,風云家族要“添丁”了。
 
  據中國氣象局消息,風云四號的第二顆衛星——風云四號B星,目前研制工作基本已經完成,按照計劃,今年將擇機發射。
 
  風云四號B星的載荷得到了優化。例如,多通道掃描成像輻射計,部分通道得到了局部優化;大氣垂直探測儀的空間分辨率也得到了提升。
 
  同時,這顆衛星上新增了一臺快速成像儀,它能通過調整鏡頭,根據指令對不同區域進行靈活的觀測,分辨率在目前全球靜止軌道氣象衛星中最高。
 
  唐世浩對此頗為期待。他說,目前風云四號A星對我國及周邊區域的成像是5分鐘一次,最高分辨率為500米。對一些尺度較小、持續時間較短的天氣現象,可能就漏掉了。而風云四號B星搭載的快速成像儀,可以實現對數百萬平方公里區域1分鐘一次成像,最高分辨率達到250米左右,對中小尺度的天氣系統具備更強的監測能力。
 
  今年我國計劃發射的風云三號E星,將是世界首顆晨昏軌道氣象衛星。目前全球極軌氣象衛星均為上午或下午軌道,意思是其觀測時段為上午或下午。而風云三號E星將在晨昏時間進行觀測,可彌補當前的觀測空白,提高全球數值天氣預報精度和時效。
 
  唐世浩介紹,風云三號E星與目前在軌運行的風云三號系列衛星組網運行后,每天的觀測時間分布將更均勻,并得到晨昏時間的氣象資料。另外,過去風云衛星在夜間只能通過紅外和微波儀器觀測,而風云三號E星搭載了微光觀測設備,具備可見光夜間觀測能力。
 
  記者從中國氣象局獲悉,“十四五”期間我國計劃發射的風云衛星,軌道種類會進一步豐富。例如在地球靜止軌道上,會有不同軌位風云衛星,通過光學和微波手段進行觀測。在低軌方面,除了上午、下午軌道和晨昏軌道,我國還將向低傾角傾斜軌道發射降水衛星,主要對低緯度地區的降水進行監測。
 
  唐世浩表示,未來風云衛星的發展主要包括提升對大氣風場、云雨大氣及其垂直結構的監測能力,提高監測精度和監測時效,同時增強衛星的協同機動觀測能力等。

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