北京時間11月27日夜,嫦娥一號衛(wèi)星搭載的微波探測儀開始工作。
“一切都很順利!”
“利用微波遙感手段對月球進行探測,這在世界上是第一次;提出探測月壤厚度的科學目標也是世界首次!
承擔該項探測任務(wù)的嫦娥一號衛(wèi)星有效載荷微波探測儀,由中國科學院空間科學與應(yīng)用研究中心設(shè)計并研制,該分系統(tǒng)主任設(shè)計師張曉輝近日接受了《科學時報》的采訪。
微波探測目標直指月壤
張曉輝說:“嫦娥一號搭載的微波探測儀的主要任務(wù)就是探測月壤的厚度信息,以前在阿波羅號登月的時候曾經(jīng)采集過月壤,除此之外,再沒有以這樣的科學目標來探測月球?茖W目標是我們空間中心的姜景山院士提出的,他很早就參與探月工程的論證工作,是探月工程的幾個發(fā)起人之一!
在美國等國家的探月計劃中,都有從月球帶回月球物質(zhì)、在月球上建立永久基地,甚至采集月球上的氦-3為地球所用等計劃。
張曉輝說:“氦-3分布在月壤之中,探測出月壤的厚度信息,就可以估算出氦-3的分布;此外,探測出月壤厚度比較均勻的地方,也有利于為嫦娥二期工程中的著陸計劃的實施提供參考!
嫦娥一號衛(wèi)星搭載的微波探測儀,主體上分3部分:兩套天線和一套微波接收機;微波接收機將接收到的微波信號放大,然后量化,變成數(shù)字編碼,傳送給公用系統(tǒng),返回地面。
“所有高于絕對零度(-273.15℃,理論上說不可能有比這個溫度更低的物體)的物體,都以各種方式向外輻射能量。輻射能量高的比如太陽,我們都能感覺到它的熱量;房間里的各種物體,也在不斷向外輻射能量。就月球表層和次表層組成來說,包括月塵、月壤和月巖,這三種東西輻射出來的能量是不一樣的,最下層的月巖輻射的能量可以穿透月壤和月塵,通過月表輻射出來,同樣,月壤和月塵也各自都有能量輻射出來!
張曉輝說:“為了區(qū)別這3種不同物質(zhì)輻射出來的能量,我們設(shè)計了4個頻段的微波輻射計:3G赫茲、7.8G赫茲、19.35G赫茲和37G赫茲。衛(wèi)星在月球表面經(jīng)過27.3天(月球上的一天)的飛行,這4個頻段的微波輻射計就可以將衛(wèi)星軌跡下面的月壤普查一次,獲得月球表面微波輻射圖。4個波段的探測可以獲得4張圖,通過差別比較、理論分析和計算,就可以得到月壤在全月球分布的大致信息!
從理論上說,37G赫茲的頻段只能接收月球淺表層的月塵輻射出來的能量,3G赫茲的頻段能接收到月巖、月壤和月塵輻射的能量之和,7.8G赫茲和19.35G赫茲的頻段接收的能量輻射介于這兩者之間。
熟悉的儀器 陌生的征程
11月13日,嫦娥一號衛(wèi)星搭載的各種有效載荷還沒有開始工作。張曉輝在辦公室接受記者采訪時,電話突然響起。
放下電話,張曉輝說:“我們接到通知,開始安排值班了,一個值班點在中科院國家天文臺月球與深空探測科學應(yīng)用中心,另一個值班點在BACC(北京衛(wèi)星指控中心)。”
“運行指令事先都已經(jīng)做好了,并且經(jīng)過了驗證,一切準備就緒了!
其實早在神舟四號飛船上,就已經(jīng)搭載了微波探測儀等類似的設(shè)備,對地球海冰的厚度、土壤的濕度、積雪的分布等各種環(huán)境問題進行了成功探測;即將發(fā)射的風云3號衛(wèi)星也搭載了中科院空間中心研制的微波濕度計,用于測量大氣層的水汽含量,進行天氣預報。
“這些微波探測設(shè)備的原理構(gòu)造都差不多,只是頻段不一樣。”參與過多個微波探測設(shè)備設(shè)計的張曉輝,雖然對歷經(jīng)5年時間親手設(shè)計的探月專用微波探測儀再熟悉不過,但還是對儀器的首次月球之旅放心不下,“我想馬上就親自看一眼儀器現(xiàn)在是什么樣子。想要看看探測的數(shù)據(jù)是否和預想結(jié)果吻合,能否獲得一個最佳的探測結(jié)果;另外,還要保證不出意外”。
無條件服務(wù)整體工程
“有特殊要求就有難度,設(shè)計一個地面使用的設(shè)備并不難,一旦‘上天’就會有各種限制,其中儀器‘體重’是一個重要因素!睆垥暂x說。
根據(jù)2003年上半年嫦娥一號衛(wèi)星的申報要求:除天線外,微波探測設(shè)備的總重量不超過規(guī)定值。
“那時,8個天線的構(gòu)想都沒有出來,天線部分的重量就沒有報,后來當嫦娥一號需要搭載的8個有效載荷做出來的時候,才發(fā)現(xiàn)總重量超了很多!睆垥暂x說,“后來8個天線設(shè)計出來的重量不包括在給微波探測設(shè)備的總重量上限之內(nèi),也就是說8個天線的重量要自己想辦法!
姜景山院士是整個繞月探測工程副總師,他訂了一條規(guī)矩:“哪個有效載荷的重量減不下去,哪個項目就不上了;重量指標分給其他有效載荷!
張曉輝說:“大家都在‘減肥’,微波探測儀減得比較多一些,到拿出初樣的時候,微波探測儀的體重已經(jīng)減到了規(guī)定限值以下了!
與“減肥”相比,“歸零過程”也是比較艱難的任務(wù)。
“我們的儀器遇到了任何問題,都要‘歸零’處理,有五個步驟:定位準確、機理清楚、問題復現(xiàn)、措施有效、舉一反三!睆垥暂x脫口而出,“一旦出現(xiàn)問題,首先要確定是什么原因引起的;第二要明白,為什么發(fā)生問題;第三,要故意犯一下錯,看問題還會不會出現(xiàn),確實有問題才可以改;第四,修改的措施一定要有效;第五,還要將類似的情況全都清查一遍,看有沒有類似錯誤,這樣才能真正把錯誤改掉!
張曉輝說:“話是這么說,但是有時候真的比較麻煩,如果是經(jīng)常出現(xiàn)的問題倒好辦了,就怕問題不出現(xiàn)。在正樣制造過程中,儀器中的一塊電路板出現(xiàn)了問題,幾乎所有的檢測手段都用上了,最后發(fā)現(xiàn),一個電焊渣在刷膠的時候留在了漆里,我們把儀器上所有的電路板都用放大鏡看了一遍!
微波探測儀研制小組于2003年12月完成了模樣產(chǎn)品,2004年啟動初樣研制,2005年8月正樣設(shè)計評審通過,2006年3月正樣研制結(jié)束,交付衛(wèi)星使用。
“大家都很辛苦,工程任務(wù)的完成都有一個節(jié)點,到哪一步完成哪些任務(wù)都有一個時間限制,這在項目開始時就有一個基本框架。不僅是我,中科院所有有效載荷工作團隊都是按照這個框架走。我們要無條件服務(wù)整體工程!睆垥暂x說。 (作者:祝魏瑋 周瑤)