他們的五十一載追夢“風(fēng)云”路

2021年，我國計劃發(fā)射風(fēng)云四號B星和風(fēng)云三號E星，“十四五”時期計劃共發(fā)射7顆風(fēng)云衛(wèi)星。隨著風(fēng)云衛(wèi)星家族的不斷壯大，我國天氣預(yù)報和氣象災(zāi)害預(yù)警的能力也不斷提升。

我國風(fēng)云衛(wèi)星自起步以來，50多年間一步步從無到有、從小到大、從弱到強。如今，我國已成功發(fā)射17顆風(fēng)云衛(wèi)星，7顆在軌運行。

“風(fēng)云之路”的輝煌離不開一雙雙“慧眼”——有效載荷，它是氣象衛(wèi)星的“眼睛”，獲取的數(shù)據(jù)可生成各種云圖、海面溫度、植被指數(shù)等一系列產(chǎn)品。有效載荷的研制水平是決定氣象衛(wèi)星工作性能水平的關(guān)鍵。中科院上海技術(shù)物理研究所（以下簡稱：上海技物所）全程參與了這17顆衛(wèi)星有效載荷的研制工作，完成相關(guān)產(chǎn)品研制28臺（套），為我國空間光電載荷技術(shù)發(fā)展，以及大氣探測技術(shù)實現(xiàn)升級換代和逐步超越國際水平作出了重要貢獻。

風(fēng)云三號D星使用上海技物所研制的分辨率光譜成像儀獲取的圖像（上海技物所供圖）

從無到有

1965年，美國發(fā)射了世界上第一顆實用性軍用氣象衛(wèi)星“布洛克”一號，向全球播送數(shù)據(jù)信息，它的出現(xiàn)揭開了人類準(zhǔn)確預(yù)測天氣的序幕。

“衛(wèi)星數(shù)據(jù)全球播送后，我國開始接收美國氣象衛(wèi)星輻射計的數(shù)據(jù)（云圖），發(fā)現(xiàn)它在臺風(fēng)預(yù)報等方面獲得了很好的效果。”中國工程院院士、上海技物所研究員龔惠興說。

自1970年我國籌謀發(fā)展氣象衛(wèi)星伊始，上海技物所就配合國家氣象局等單位積極進行氣象衛(wèi)星探測儀器的調(diào)研、先期部署和研發(fā)。按照風(fēng)云一號的規(guī)劃部署，上海技物所負責(zé)研制觀測地球氣象狀況的遙感儀器——甚高分辨率掃描輻射計（以下簡稱：掃描輻射計）。

掃描輻射計進入預(yù)研階段，龔惠興受命出任研制組副組長，負責(zé)技術(shù)攻關(guān)，目標(biāo)是瞄準(zhǔn)當(dāng)時美國新發(fā)射氣象衛(wèi)星使用的48轉(zhuǎn)/分鐘掃描輻射計。

就在提交儀器設(shè)計方案不久，龔惠興卻因肝炎住院了。住院大半年后，為了研發(fā)任務(wù)，他不顧身體虛弱要求出院工作。

“怕傳染別人，我就一直在辦公樓廁所旁邊的儲藏室工作，避免與旁人過多接觸。”龔惠興告訴《中國科學(xué)報》，那時條件雖艱苦，他還是“一根筋”地只想把儀器做出來。

經(jīng)過7年的預(yù)研，掃描輻射計多項參數(shù)都已確定。1977年，我國第一顆氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號進入工程研制軌道。

當(dāng)年11月，氣象衛(wèi)星工程大總體方案論證會召開。就在這時，世界氣象組織發(fā)布通告：美國準(zhǔn)備從1978年起，將新發(fā)射氣象衛(wèi)星信號全部從模擬制式改成數(shù)字制式，具有5個通道，同時將分辨率從8000米提高到1000米，數(shù)據(jù)精度提高64倍。

“這意味著，如果風(fēng)云一號還按照原來的設(shè)計上天，無論從數(shù)據(jù)制式還是數(shù)據(jù)精度，都不會有國家使用它的數(shù)據(jù)，它便沒有存在的意義。”龔惠興解釋。

面對“風(fēng)云突變”，主持掃描輻射計系統(tǒng)研制工作的中國科學(xué)院院士、時任上海技物所研究室主任匡定波當(dāng)場提出：我們要提升技術(shù)指標(biāo)。

“做出來容易，往前跨一步比較難。”匡定波向記者解釋，跨出這一步最關(guān)鍵的技術(shù)難題有兩個：一是提升碲鎘汞探測器性能以適應(yīng)較高的工作溫度（105K）；二是研制提供碲鎘汞探測器工作溫度的輻射制冷器。

一年后，上海技物所研究團隊還是“啃下了這塊硬骨頭”，超出預(yù)期完成任務(wù)。

風(fēng)云一號原本只設(shè)計了3個用于氣象的觀測通道，為提高衛(wèi)星使用效益，龔惠興大膽提出：“可以再加兩個通道給海洋。”

于是，在衛(wèi)星系統(tǒng)不作改動、原遙感系統(tǒng)僅作少量改動的情況下，掃描輻射計增加了兩個探測通道用于海洋水色觀測，使得風(fēng)云一號兼有氣象和海洋觀測的雙重功能。

1988年，風(fēng)云一號A極軌氣象衛(wèi)星成功發(fā)射，不僅實現(xiàn)了我國氣象衛(wèi)星從無到有的跨越，也讓我國衛(wèi)星海洋遙感提前起步，填補了國際空間海洋水色觀測的空缺。

“我國氣象衛(wèi)星很有特色，很有面子。”匡定波感嘆。

從小變大

“風(fēng)云之路”徐徐鋪開。1997年，風(fēng)云二號A靜止氣象衛(wèi)星的成功發(fā)射，使我國成為繼美國、歐盟之后，第三個同時擁有極軌和靜止氣象衛(wèi)星的國家（地區(qū)），風(fēng)云衛(wèi)星星座初具雛形。

“我這大半輩子，都是在風(fēng)云衛(wèi)星上。”在中國科學(xué)院院士、風(fēng)云二號副總設(shè)計師陳桂林看來，自己的“風(fēng)云事業(yè)”就像一艘駛向大海彼岸的船，絕不回頭。

1984年，陳桂林接到任務(wù)：研制風(fēng)云二號的核心儀器——多通道掃描成像輻射計。自此，他開啟了“風(fēng)云航行”。這個過程中說不清遇到過多少“大風(fēng)大浪”，僅在研制的第一階段，就攻克了240多個技術(shù)難關(guān)。

當(dāng)時，國內(nèi)并沒有多通道掃描成像輻射計核心器件波紋管的研制基礎(chǔ)，如果從法國進口，需要2000萬法郎，可當(dāng)時整個衛(wèi)星的研制費用才不到1000萬法郎。“所以我們要走自己的路，要自力更生一把。”陳桂林說。

為了這個波紋管，陳桂林團隊幾乎跑遍了國內(nèi)所有地方，最后在北京找到了一位會加工波紋管的師傅，在四川找到了可以制造材料的機器。反復(fù)調(diào)整試用，經(jīng)歷3年多，波紋管問題才得以解決。

此外，掃描輻射計的升級有諸多難點，有資源和技術(shù)限制，人員也短缺。風(fēng)云二號H星掃描輻射計主任設(shè)計師、上海技物所研究員陳福春向《中國科學(xué)報》坦言：“很少有人比陳桂林更熟悉輻射計了。”

2017年底，在風(fēng)云二號H星的一次試驗中出現(xiàn)了一個干擾的多余信號，大家一時難以判斷信號來源。最后，還是陳桂林把試驗流程再走一遍后，找到了信號源頭。

創(chuàng)業(yè)難，守業(yè)更難。“0到1的這條路很長，我們手握成功的接力棒，肩上是必須成功的重擔(dān)。”陳福春把每一代掃描輻射計都看作是一個新開始。

1986年至今，上海技物所為風(fēng)云二號全系列發(fā)射的8顆衛(wèi)星研發(fā)的核心光學(xué)載荷多通道掃描成像輻射計，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品可靠性達到自旋衛(wèi)星平臺同類遙感儀器國際先進水平。如今，風(fēng)云二號向包括非洲東部、西亞、中亞、南亞在內(nèi)的諸多國家地區(qū)提供氣象資料和信息，為提升我國國際影響力作出重要貢獻。

從弱變強

氣象衛(wèi)星是用于大氣觀測和生態(tài)觀測的功能衛(wèi)星，測量儀器的準(zhǔn)確性是它的生命線。在風(fēng)云一號、二號有效載荷研制經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我國新一代氣象衛(wèi)星的技術(shù)水平又邁上了新的臺階。

2017年11月發(fā)射的風(fēng)云三號D星是我國第二代極軌氣象衛(wèi)星的第二顆業(yè)務(wù)星，被譽為探測全球大氣的“超級慧眼”。與風(fēng)云三號前一顆C星相比，其核心遙感儀器的可靠性、穩(wěn)定性和探測精度都有進一步的提高。

值得一提的是，風(fēng)云三號D星搭載的中分辨率光譜成像儀是世界上首臺能夠獲取全球250米分辨率紅外分裂窗區(qū)資料的成像儀器，可每日無縫隙獲取全球250米分辨率真彩色圖像。“目前為止，其他國家的氣象衛(wèi)星還不能達到這個水平。”風(fēng)云三號紅外高光譜大氣探測儀主任設(shè)計師、上海技物所研究員顧明劍說。

“衛(wèi)星儀器的更新?lián)Q代需要反復(fù)論證、預(yù)演等，從工程樣機到工程立項，往往要花10年。”顧明劍告訴《中國科學(xué)報》，風(fēng)云三號D星從開始啟動研制到發(fā)射僅用了四五年。

顧明劍坦言，這其中最大的挑戰(zhàn)是頂住巨大壓力不斷提升儀器的研制基礎(chǔ)和元部件的性能。“儀器性能從追趕到相當(dāng)，再到超越，要拿出最好的東西，最大的力量就是決心和堅持。”

2017年9月，風(fēng)云四號掃描輻射計獲取的全球圖像取代美國宇航局第一張地球全景圖，在微信啟動頁展示。這顆衛(wèi)星上還搭載了我國氣象衛(wèi)星的一個獨門秘笈——干涉式大氣垂直探測儀。

早在20年前，匡定波就作出判斷：“我們可以把干涉儀也放到靜止軌道衛(wèi)星上。”

任務(wù)交給了上海技物所研究員華建文。

“說實在的，把輻射計和探測儀同時放在一個衛(wèi)星上，挺難的。”華建文告訴記者，美國曾放棄了“一星雙載”的計劃，分別用兩顆衛(wèi)星裝載這兩種儀器。當(dāng)時也有人提議：“要不我們晚一點再上干涉儀吧，這樣技術(shù)上會比較輕松。”

但科學(xué)本身就有“風(fēng)險”，華建文一心想做成這件事。經(jīng)過反復(fù)預(yù)演、調(diào)整，華建文帶領(lǐng)團隊把理想變?yōu)榱爽F(xiàn)實。

2016年12月，風(fēng)云四號A星作為國際上首顆同時裝載多通道掃描成像輻射計和干涉式大氣垂直探測儀的高軌氣象衛(wèi)星，成功發(fā)射。在世界上首次實現(xiàn)了靜止軌道高光譜大氣垂直觀測，帶領(lǐng)我國高軌氣象衛(wèi)星搶占國際競爭制高點。

“最后做出來了，我心里快活。”華建文笑著說。

“干一代型號，培養(yǎng)一代人。在上海技物所這個院子里，老一輩科學(xué)家和青年骨干們一步步地實現(xiàn)了將紅外、光電技術(shù)應(yīng)用于氣象衛(wèi)星。”上海技物所所長丁雷說，按照“十四五”規(guī)劃，上海技物所將繼續(xù)鉆研高精度高定量遙感技術(shù)，積極推進風(fēng)云五號、風(fēng)云六號核心光學(xué)載荷研制，更多更好地服務(wù)于全國人民和全球大眾。

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