-从跌跌撞撞到一路逆袭 原来“风云”是这样的卫星
来源:科技日报
作者:付毅飞
发布时间:2021-02-02
浏览次数:608
-从跌跌撞撞到一路逆袭 原来“风云”是这样的卫星

启动微信,一个孤独的小人凝望地球。这张美国国家航空航天局向世界公开的第一张完整地球照片名叫“蓝色弹珠”。它是由阿波罗17号宇航员拍摄,视角在非洲大陆上空。

每当中国航天科技集团八院气象与环境总体室副主任、风云四号卫星主任设计师陈晓杰打开微信时,思绪总会不由自主地飞到2017年9月25日那天。

那天是我国新一代静止轨道气象卫星风云四号A星正式交付投入使用的日子,微信启动画面随之变脸——图像仍是蓝色地球,但展示的位置却变成东半球,拍摄它的正是风云四号A星。

“照片视角是从中国上空观测到的地球,那种感觉很不一样。”陈晓杰至今对此印象深刻。

1969年初,一场罕见的雨雪冰冻灾害席卷半个中国,而当时世界上拥有气象卫星的国家只有苏联和美国。我国虽然能接收国外气象卫星云图,但只是单纯的“黑白图像”,无法挖掘原始数据、反演各种气象要素,应用受到极大限制。

1969年1月29日,周恩来总理提出:“要赶快改变落后面貌,搞我们自己的气象卫星。”1970年2月,周总理亲自签发中共中央、国务院、中央军委文件,下达了研制气象卫星的任务。由此,我国气象卫星事业正式起步。

迄今为止,我国共成功发射17颗风云系列气象卫星,目前有7颗在轨运行。这些最“知人冷暖”的卫星,在太空中观察地球的风云变幻,提示我们添衣打伞。

据中国气象局消息,2021年我国计划发射风云四号B星和风云三号E星,“十四五”时期共计划发射7颗风云气象卫星。“到2035年,我国要建立监测精密、预报精准、服务精细的气象业务体系,气象综合实力达到世界先进水平,气象深度融入民生保障和行业发展,气象强国基本建成。”该局局长庄国泰透露。

命运多舛,首星发射39天就“夭折”了

1988年9月4日,风云一号卫星总设计师孟执中站在数十米高的发射塔架上,心中翻江倒海。

那是我国首颗风云卫星原计划发射的日子。但在指挥员发出“5小时准备”指令后,控制中心突然失去了卫星所有的遥测信号,发射被终止。

风云一号卫星工程总设计师任新民下令就地检查。孟执中、时任姿控系统主任设计师徐福祥带着试验队员爬上塔架,紧张地给卫星做着“手术”。此时,四周没有护栏,卫星下面是装满推进剂的火箭,每一个动作都要小心翼翼。

让孟执中倍感压力的是,预定发射时间将至,各地台站早已准备就绪,不断打电话询问消息;从北京到上海再到发射中心,沿途通信线路都部署了战士值守,大家都在岗位上等待着发射的消息。塔架上的排障工作进展缓慢,孟执中既焦急,又愧疚。

直到傍晚,故障原因终于查清,是遥测机的CMOS电路在特定情况下发生了“栓锁”。试验队员将遥测机取下来连夜返修,第二天早上将它装回卫星。

3天后,历时近10年研制的风云一号A星成功发射,使我国成为世界上第三个拥有极轨气象卫星的国家。然而仅过了一个多月,意外再次发生。

这天,国家卫星气象中心工作人员发现,接收到的卫星云图逐渐偏斜,最后只能看到地球的弧线。卫星失控了。

时任中国气象局局长邹竞蒙急切地问:还有办法吗?孟执中无言以对。

由于没有安装备份设备,风云一号A星在众目睽睽之下在太空“夭折”,此时距离它发射升空仅39天。

一场世界航天史上罕见的卫星地面营救

1990年9月3日,风云一号B星成功发射。它能及时为第十一届亚运会提供气象预报,但只过了十几天,它就出现异常。

科技人员及时完成了修复,但发现一个棘手的问题:卫星在元器件选用和软件设计上没有进行抗辐射加固,这一漏洞使计算机电路芯片暴露于空间高能粒子的轰击下,很容易产生单粒子翻转问题,随时会引发计算机工作失常,姿控系统故障。

漏洞无法填补,唯一的办法是加强地面对卫星的监视,出现问题及时纠正。

孟执中和徐福祥带领科技人员分成2个工作组,轮流在西安卫星测控中心值班。他们利用卫星每天6次过境的机会,监视其在轨工作情况。

1991年2月14日,大年夜里,卫星云图突然发生扭曲,滚动不止。在随后的75天里,工作人员不间断地轮流执勤,开始了一场世界航天史上罕见的卫星地面营救行动。他们像急救医生一样,一次次让“急症”发作的风云一号B星恢复元气。然而,频繁的“手术”让卫星元气大伤,寿命大打折扣。

最终,风云一号B星断断续续工作到1992年11月,在轨累计正常运行285天,未能达到1年的设计寿命指标。

“两弹一星”功勋科学家孙家栋院士,作为风云二号卫星工程总设计师与“风云”相伴了40多年。他曾说:“我一生做过多个卫星总师,风云二号最让我难忘。”

1994年2月,我国首颗地球静止轨道气象卫星——风云二号01星来到西昌卫星发射中心。经过多项测试后,卫星顺利加注了燃料,装上了固体远地点发动机,只待开展转场前的最后一次全面测试。

4月2日上午,测试开始。10点50分左右,固体远地点发动机燃烧爆炸,黑色浓烟夹着血红的火光涌出来,观测窗玻璃被震碎,厂房供电中断。

这次重大事故夺走了一位总装工人的生命,并导致30多位试验队员受伤住院。由于不了解肼燃料的性能和危险性,忽视了防静电和环境温湿度要求,航天人遭受了惨痛教训。

风云一号C星打了个漂亮的“翻身仗”

接二连三的事故,让风云卫星研制陷入低迷。但一次次跌倒的航天人,又一次次倔强地站了起来。他们将沉甸甸的经验教训汇编成册,成为指引后续工作开展的典型教材。

被任命主持风云一号C星研制工作时,孟执中已经60岁了。此前的挫折让他心有不甘。他分析,风云一号A星、B星未完成任务的原因,不在于性能指标没有达到要求,而是由于可靠性不高造成中途夭折。研制1颗长期可靠、稳定运行的业务应用气象卫星,成为团队共同的目标。

1999年5月10日,风云一号C星成功发射。这次发射后来被选为我国20世纪最后一年的3件大事之一,镌刻于中华世纪坛。2000年8月,世界气象组织将该卫星列入世界业务气象卫星序列。

风云一号C星打了个漂亮的“翻身仗”。它在轨稳定运行达7年,被誉为“太阳同步轨道长寿第一星”,揭开了我国气象卫星事业上新的一页。

此后,风云卫星发展之路越走越顺。

2002年,风云一号D星发射,成为国内寿命最长的遥感卫星之一。2004年发射的风云二号C星,是当时国内应用最为广泛的业务应用卫星,并获得世界气象组织的高度评价,被列为全球气象卫星观测网的重要业务卫星之一。2006年到2014年,我国先后发射4颗风云二号系列卫星,挑起了国家重大活动气象保障重担。

2008年,北京奥运会开幕前夕,我国第二代太阳同步轨道气象卫星风云三号首发星升空。此后,风云三号B星、C星、D星相继发射,实现了对风云一号的升级换代。它们组网运行、功能互补,实现从二维成像到三维探测、从单一光学到全谱段宽波谱探测,并使全球数值天气预报更新时间大幅缩短、预报时效延长,预报精度也进一步提高。

在国际“暗战”中逆袭,一颗星干两颗星的活

2021年1月15日,上海菜市场里的太湖矮脚菜,价格较10天前翻了一倍。当地媒体发现,这与近日连续出现的寒潮颇有关系。据气象台预报,1月16日又有寒潮侵袭,当地蔬菜供应单位提前部署,全力开展了应急保供工作。

天气变化影响着人们穿衣、出行,乃至生活的方方面面。国家卫星气象中心遥感应用室主任、风云气象卫星应用系统总设计师唐世浩介绍,为准确预报寒潮提供支撑,以及监测寒潮的发展和影响,只是风云卫星的“基本功”之一。

尤其是被称为中国气象卫星界“实力担当”的新一代静止轨道气象卫星——风云四号A星成功发射,使我国气象卫星技术从跟跑、并跑转向并跑、领跑,推动我国气象综合能力进一步提高。

回想起风云四号A星的研制和发射,陈晓杰感觉像一场激烈的竞赛。

2016年,仿佛事先约定过一样,中国、美国、欧洲、日本的新一代静止轨道气象卫星研制,均发展到紧要关头,大家暗中较着劲。

除了欧洲卫星由于种种原因至今尚未发射,2016年11月初,日本率先发射“向日葵9号”(Himawari 9)卫星。这颗卫星采用了许多美国的技术和产品,将代替该国此前发射的“向日葵8号”。

11月19日,美国新一代静止轨道气象卫星GOES-R发射。业界评价说,与以前的气象卫星相比,该卫星带来的飞跃如同从黑白电视变成高清彩电。

12月11日,我国风云四号A星发射。

陈晓杰表示,风云四号A星不仅对地综合观测能力全球领先,还是国际上首颗单星实现对地“多光谱二维成像+高光谱三维探测+超窄带闪电成像”综合观测的静止轨道气象卫星。

过去,垂直探测仪器和成像观测仪器的相互干扰,一直是国际上的难题。欧洲此前的做法是将两者分别放在2颗卫星上工作。

比起国际竞争对手,风云四号A星的性能毫不逊色。有人形容,这颗星同时干着2颗星的活。

据风云四号卫星系统总设计师董瑶海介绍,该卫星通过自主研制的SAST-5000卫星平台,实现了带有运动光学部件的多载荷同时工作,各载荷和谐共处。

该卫星搭载的多通道扫描成像辐射计,是当时我国静止轨道卫星最先进的辐射成像仪,能够每15分钟对东半球扫描一次,最高空间分辨率达到500米。“500米精度对于接近36000公里高的地球静止轨道来说,相当于在几公里之外放置几盏烛光,而且看得清清楚楚。”董瑶海说,这一精度与美国同期发射的GOES-R卫星相当。

同时,风云四号A星搭载的干涉式大气垂直探测仪,可以对大气进行垂直探测;搭载的我国首台星载闪电成像仪,可用广角镜头盯住我国及周边区域,不眠不休时刻准备拍摄,每秒能拍500张照片,记录闪电的频次和强度。

15年后,气象综合实力全球领跑

今年起,风云家族要“添丁”了。

据中国气象局消息,风云四号的第二颗卫星——风云四号B星,目前研制工作基本已经完成,按照计划,今年将择机发射。

风云四号B星的载荷得到了优化。例如,多通道扫描成像辐射计,部分通道得到了局部优化;大气垂直探测仪的空间分辨率也得到了提升。

同时,这颗卫星上新增了一台快速成像仪,它能通过调整镜头,根据指令对不同区域进行灵活的观测,分辨率在目前全球静止轨道气象卫星中最高。

唐世浩对此颇为期待。他说,目前风云四号A星对我国及周边区域的成像是5分钟一次,最高分辨率为500米。对一些尺度较小、持续时间较短的天气现象,可能就漏掉了。而风云四号B星搭载的快速成像仪,可以实现对数百万平方公里区域1分钟一次成像,最高分辨率达到250米左右,对中小尺度的天气系统具备更强的监测能力。



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