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风云卫星,能给大气做

发布时间:2019-10-21 22:26编辑:一马中特科技浏览(158)

    风云卫星“叱咤风云”40载 背后艰辛知多少

    12月11日零时11分,我国新一代静止轨道气象卫星首发星风云四号在西昌卫星发射中心成功发射。这可不是一颗普通的气象卫星,风云四号的成功发射,将引领我国静止轨道气象卫星的升级换代,在技术上实现了从跟跑向并跑的重大跨越,达到世界先进水平,是我国从航天大国向航天强国迈进的又一重要标志。

    “叱咤风云”40载,背后艰辛知多少

    在36000公里高空24小时“站岗”,1秒能拍摄500张闪电图

    一代代航天人前赴后继,实现了我国风云气象卫星从无到强的飞跃

    气象卫星可以说是离百姓生活最近的卫星。我们平常看到的天气预报,首先就要通过气象卫星装载的各种探测仪器获得不同的卫星气象云图和遥感数据,然后通过云图及数据反演出大气要素,并应用到天气预报模型中,再根据方程的运算得到未来的天气。随着风云卫星的发展,我国天气预报的准确率从上世纪70年代的约50%,提高到了现在的90%。

    今年是风云气象卫星正式命名40周年。40年来,我国自主研发的风云气象卫星“叱咤风云”,成为太空中一张靓丽的“中国名片”。28日在沪举行的“叱咤风云——中国风云气象卫星四十载的壮丽征程”专题展览上,集中展示了风云气象卫星40年成长历程,其中不乏许多艰辛曲折故事、甚至血的教训。

    “我国的风云气象卫星分为极轨气象卫星和静止轨道气象卫星两种,其中单数编号的风云一号、风云三号是极轨气象卫星;偶数编号的风云二号、风云四号是静止轨道气象卫星。”国防科工局系统工程司副司长赵坚介绍,极轨气象卫星逆地球自转方向环绕北极和南极、与太阳同步;静止轨道气象卫星则悬在赤道上空36000公里处、与地球保持同步运行,相对地球是不动的。我国是世界上少数几个同时拥有极轨气象卫星和静止轨道气象卫星的国家之一。

    “风云一号”A星仅存活39天

    据介绍,风云四号是我国新一代静止轨道气象卫星的首发星,也是我国首颗高轨三轴稳定定量遥感卫星。卫星发射重量5400公斤,设计寿命7年,成功突破了图像定位与配准等20余项重大关键技术,填补了我国多项技术空白,整体性能达到欧美最新一代静止轨道气象卫星的水平。风云四号通过获取地球表面和云的多光谱、高精度、定量观测数据和图像,能够有效提高天气预报和气候预测水平,增强生态环境监测能力。

    1977年,国防科工委在上海召开气象卫星大总体方案论证会,会议正式上报我国第一颗太阳同步轨道气象卫星命名为“风云一号”,从此开启了我国风云气象卫星的新纪元。

    “图像定位与配准就是卫星通过实时测量计算,消除姿态变化等各种影响成像的因素,使卫星在36000公里的‘眼睛’永远瞄准我们想让它看的地方,同时在拼接拍摄的图像时做到零误差。”风云四号卫星总设计师董瑶海说。

    到目前为止,我国已成功发射16颗气象卫星,现有9颗在轨稳定运行,形成了包含风云一号、风云二号、风云三号和风云四号卫星在内的风云卫星家族,是世界上第三个同时拥有地球静止轨道气象卫星和太阳同步轨道气象卫星的国家。

    风云四号卫星地面应用系统总师张志清用几个“更”来形容这颗新卫星。眼睛更锐利——空间分辨率最高达500米;反应更敏捷——区域观测时间分辨率可达1分钟;光谱分辨率更高——可以看到更多的大气和地物特征。

    “风云一号”A星是我国研制的第一代太阳同步轨道气象卫星。万事开头难,这颗星在发射之际就很不顺利。1988年9月4日,在太原卫星发射中心,卫星发射进入倒计时,发射塔上,运载火箭燃料加注完毕。西至喀什、南至海南的测控网站,也已全部打开。指挥员发出命令:“5小时准备!”就在这关键时刻,发射控制中心的控制台上,突然失去了A星所有的遥测信号。指挥部不得不决定停止发射。

    赵坚进一步解释:“比如说闪电监测资料,风云四号装载了我国自主研制的闪电成像仪,一秒钟可以拍摄500张闪电图,探测区域范围内的闪电频次和强度,进而实现对强对流天气的监测与跟踪,提供闪电灾害预警,这在国内是首次应用。”

    时任“风云一号”总设计师孟执中、“风云一号”工程总师任新民等带领试验队员们,开始了紧张的现场救修。他们爬上几十米高的塔架,站在20多平方米的高空平台上,对卫星内部精密而复杂的零件逐一排查。

    “与风云二号相比,风云四号的成像时间分辨率提高一倍。”赵坚介绍,风云四号单星即可完成风云二号双星组网才能实现的15分钟全圆盘成像,观测1000×1000公里区域只需1分钟,能力超过风云二号,与欧美新一代静止轨道气象卫星相当。

    当时,火箭已经加注完毕,装满了燃料,每一个排故动作都要极其小心,稍有不慎就会造成灾难性事故。而排查时间更要分秒必争,因为时间一长,火箭受燃料重力挤压外壳涂层,已经出现了皲裂,再不发射后果难料。

    再如对台风分析和预报方面,风云四号能够每3分钟对台风区域进行观测,高频次观测可提供台风云结构及其演变的精细化动态信息,特别是对台风眼区的监测,可弥补目前在轨卫星云图分辨率和时间分辨率不够高的缺点,为台风定位、定强提供更可靠更精细的观测资料。

    顶住极大压力,试验团队终于找到了“风云一号”A星的问题所在,并做了一次艰难的“手术”,卫星成功升空。但就升空后第39天,意外又发生了。在国家卫星气象中心的云图接收与处理工作室里,大家非常失望看到:卫星姿态发生了故障,云图正慢慢地变得偏斜,最后,只留下地球的一条弧线。卫星失控了!

    首次将成像和垂直观测相结合,可以对大气进行切片观察

    当时,国家气象局邹竞蒙局长曾急切地问:“还有什么办法吗?”孟执中无言以对,眼神里流露出深深的痛苦。“风云一号”A星在太空仅39天就结束了“生命”。这一失败好似利刃,深深地刺痛着每一位航天人的心。

    董瑶海表示,作为我国新一代静止轨道气象卫星,风云四号卫星不仅技术新,而且平台新,采用了全新的总体方案、全新的载荷配置,关键技术突破多、自主创新成果多。卫星首次使用了中国航天科技集团八院全新研制的SAST5000平台,具有承载能力大、质心低、力学响应小、对地面大等特点。与风云二号类似陀螺旋转的自旋稳定方式不同,风云四号采用了三轴稳定方式,可以轻松实现在高空对地球的24小时凝视,对地观测时间利用率接近80%,达到国际先进水平。

    总结经验教训,1990年9月3日,“风云一号”B卫星再次成功发射。但还是由于经验不足,卫星的计算机电路芯片受空间高能粒子轰击,产生单粒子翻转问题,引起计算机工作失常,姿控系统故障。

    载荷新也是风云四号的突出亮点。董瑶海颇为自豪:“风云四号是国际上首颗同时装载多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪的高轨气象卫星。”

    怎么办?决不放弃!我国航天人员开展了一场长达75天的卫星地面营救行动,这在世界航天史上都很罕见。航天人员通过加强地面测控管理,每天六轮监视卫星在轨工作,一次又一次挽救了“风云一号”B星的生命。

    据介绍,多通道扫描成像辐射计的成像通道从风云二号的5个增加到了14个,覆盖3个可见光和11个短波红外、中波红外和长波红外等波段,通道数量提升近3倍,其技术指标与美国刚刚发射的GOSE—R卫星相当。同时,星上辐射定标精度达到1K、灵敏度0.1K,也就是说,卫星在测量地面温度时误差小于1摄氏度,只要发生0.1摄氏度的变化就能感知出来。

    虽然,这颗卫星最终正常运行了285天,没能达到设计寿命要求。但由此而积累的卫星抢救技术,曾获得航空航天工业部一等奖、国家重大科技成果二等奖。后汇编成册,为我国后续卫星可靠性设计和排故提供了宝贵的借鉴和参考。

    “风云四号还是国际上首个在二维成像观测的同时,实现对大气的垂直分层三维观测的卫星。”风云四号卫星工程总师李卿介绍,这有赖于最新研制的干涉式大气垂直探测仪,这在国际上也是首次装载于气象卫星上。探测仪的探测通道超过1600个,可在垂直方向上对大气结构实现高精度定量探测。专家打了个比方:这个新仪器不仅实现了从黑白电视机向彩色电视机的跨越,还可以对大气做CT扫描,进行切片观察,大大提高了气象观测的能力。

    “风云二号”01星发生了爆炸

    李卿表示,美、欧把成像辐射计和干涉式垂直大气探测仪分别装在两颗卫星上,以避免两台大型光学仪器运动部件带来的动力学干扰等技术问题,但我国通过采用图像定位与配准系统和微振动抑制系统,解决了世界性难题,实现了两台载荷同时工作,达到国际领先水平。

    “风云二号”气象卫星是我国自主研制的第一代地球静止轨道气象卫星,使我国成为第三个同时拥有太阳同步轨道和地球静止轨道气象卫星的国家。截至目前,共发射7颗,有4颗卫星在轨运行,实现了“多星在轨,统筹运行,互为备份,适时加密”运行模式,为我国和世界的气候监测及天气预报提供了实时动态的气象观测资料。

    将提供更多更精准的数据,能预报气象也能监测灾害污染

    成绩的背后,我国航天人曾有血的教训,甚至付出了生命的代价。1994年4月,“风云二号”01星来到了西昌卫星发射中心。发射队为了全过程控制卫星的污染问题,在厂房内专门搭建了一个10000级洁净度、控制环境温湿度的净化间。卫星顺利地加注了燃料,装上了固体远地点发动机,准备转场前的最后一次全面测试。

    目前中央电视台天气预报的卫星云图基本上来自在轨运行的风云二号E、F、G三颗星。风云四号卫星正式投入业务运行后,将逐步接替风云二号卫星,提供更加及时和高精度的观测数据,进一步提高天气预报的准确率。

    4月2日上午,模拟射前8小时准备的测试开始,一切都很顺利。10点50分左右,时任卫星副总设计师李卿特地到无线测试间,发出模拟2小时准备的口令。他站在频谱仪前,看了一下净化间中处于整装待转场的卫星,低着头全神贯注监视转发器的下行频谱。

    今后,风云四号将提供包括云、辐射、温湿度、大气、导风、闪电等30多种数据产品,可为我国及周边地区的短时气象预报、台风监测、环境及污染监测、自然灾害监测、森林防火、粮食亩产等提供服务,产品的种类、数量以及定量化指标均较之前的卫星产品有显著提升。

    突然,一声惊天动地的响声,从厂房大厅透过硕大的测试间玻璃观测窗传来。李卿抬头一看,简直被眼前的景象惊呆了:一人多高的黑色浓烟,夹着血红的火光,像潮水般向他涌来;迎面而来的巨大冲击波,瞬间就震碎了观测窗玻璃,将他摔倒在地;厂房的供电中断了,黑暗的测试间内,弥漫着呛人的烟味。靠着逃生的本能反应,他艰难地退向身后一扇锁着的门,猛地击碎了门上玻璃,才逃离危险。

    据统计,风云气象卫星的云图每年被数以亿计的引用,成为国内最大的遥感卫星数据库。在国际上,风云卫星已经达到了国外同类卫星的先进水平,被世界气象组织列入国际气象业务卫星序列。接收和应用风云系列气象卫星资料的国家和地区多达70多个,东半球的气象预报主要靠我国的气象卫星提供相关资料。

    这次意外的重大事故,使得30多位发射队员受伤住院治疗,同时夺走了在净化间的总装工人陈德全的宝贵生命。4个月后,这次事故的原因终于查明:卫星上加注了60千克的无水肼燃料,星上远地点发动机内也装有653千克固体燃料,卫星本身就是一个大火工品。

    赵坚透露,根据《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)》,明确与气象事业紧密相关的有13颗卫星,其中全新研制的有大气环境监测星、陆地生态系统碳监测卫星和静止轨道微波探测星。

    但是,当时由于缺乏经验,现场人员对肼燃料的性能和危险性并不清楚,对防静电和环境温湿度有什么要求等也不清楚。血的教训,为我国航天事业积累了一笔极为可贵的财富。

    静止轨道微波探测卫星将有力提升对快速变化的台风、暴雨等灾害性天气系统的监测预警能力,成功发射后将与风云四号静止轨道气象卫星组网运行,将大幅度增强我国对天气预报,尤其是对降雨预报、气候预测、自然环境和自然灾害监测的能力。降水雷达测量卫星则将实现降水和云雨大气参数遥感探测,获取融化层高度和厚度信息,有效提高降水数值预报的准确率。来源:国防科工局网站

    “风云三号”微波成像仪“进口转国产”

    “风云三号”是我国新一代极轨气象卫星,跟踪世界先进水平,堪称“创新之星”。其中,微波成像仪是一个重要载荷,主要用于遥感观测全球降水、云的液水含量、地表植被、土壤湿度、海冰与积雪覆盖等。在对地和大气观测,实现中长期数值天气预报等方面有重要用途,是中国气象局需求最迫切、关注度最高的卫星遥感设备之一。

    当时,微波成像仪只有欧美可以生产,系统之复杂、技术难度之高,在世界航天界首屈一指,我国原计划从国外进口该设备。但欧空局开价6000多万欧元,极其昂贵;俄罗斯愿意低价提供样机方案,但经三年多的合作,仍无法实现工程研制。最后,我国决定自力更生,在上海组建一个研究室,专门攻克微波成像仪。但此时,已经比整星研制落后了一年半。

    难度之大、时间之紧,非同小可。据中国航天科技集团八院参与设计的何勇礼回忆,当初组建的20多人研究室,在巨大的压力下最后只剩下了6人。实在“熬不下去”的时候,连带头人吕利清都悄悄打好了辞职报告。但最终,他带领核心团队成员咬牙坚持了下来。这一坚持,就是8年。

    按照方案,微波成像仪包括探测头部、中央处理器、扫描驱动机构及控制器等多个功能模块,整机重量有150公斤左右。但经过多次协调,总体的重量指标最多只有100公斤。有一天,万般无奈的吕利清冲到了工程总师孙敬良的面前,大声说道:“我要打官司!”

    孙敬良看着这个情绪激动的青年人,一面和蔼地让他坐下,一面拿过资料,认真地看了起来。孙敬良用卫星工程系统间为数不多的余量,全力支持国产微波成像仪的研制工作。没过多久,微波成像仪的重量指标放宽到了150公斤,国产化的研制工作迅速地走上了正轨。

    经过日夜鏖战,2004年,我国第一台微波成像仪模样机终于问世,性能指标满足“风云三号”气象卫星的全部要求,并且一举突破了所有的关键技术,为后面初样和正样的研制工作扫清了技术障碍。

    目前,微波成像仪已经成功地应用于4颗“风云三号”气象卫星,应用成果显著。2013年1月初,我国极地科考船“雪龙号”被困南极,就是利用“风云三号”微波成像仪探测的数据,分析出被困原因,并给出该海域海冰覆盖变化的总体趋势。2017年2月21日,全国各地大幅降温,京、豫、鲁等地普降大雪,中国气象局运用“风云三号”卫星微波成像仪探测的数据,很快就制作出积雪深度图。

    今年11月15日,我国成功发射的“风云三号”D星上的微波成像仪,具有10个遥感通道,探测频率覆盖、探测灵敏度、定标精度等性能,已与美国DMSP遥感卫星载荷相当,达国际先进水平。

    尤为可喜的是,中国航天科技集团八院的“70后”“80后”设计师,已成为微波成像仪的研制主力军。我国航天事业,正是在一代代航天人艰难曲折的探索中,前赴后继、薪火相传,不断创造新的辉煌!

    未来十年,我国还将发射10多颗风云气象卫星。包括风云二号卫星1颗,风云三号卫星4颗,风云四号卫星2颗,降水测量雷达卫星2颗,晨昏轨道卫星、静止轨道微波探测卫星、高精度温室气体综合探测卫星、大气环境监测卫星各1颗。

    预计到2030年左右,我国第三代极轨和静止气象卫星将形成全球观测系统,对地球气候系统进行全天候、全天时、三维、定量探测,满足我国气象、水文、农业、防灾减灾、气候变化、保障国家安全等需求,将有力提升我国国际影响力。

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