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【中国梦·践行者】总设计师艾长春:“悟空”火眼正看到宇宙新貌

2018-04-04 16:41 来源:大洋网 
2018-04-04 16:41:17来源:大洋网作者:责任编辑:陈畅

  艾长春

  大洋网讯中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空已有两年零3个月。“悟空”是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最高的暗物质粒子探测卫星,超过国际上同类探测器,作为我国的重大科技攻关项目,还被写进了去年的党的十九大报告。

  运行两年多来,“悟空”共搜寻出100多个异常电子,首次直接测量了电子宇宙射线的一处剧烈波动。这一神秘讯号,让暗物质研究更进一步。暗物质粒子探测卫星工程(“悟空”)总设计师艾长春从事航天事业已有50余年,他也是中国航天事业辉煌60年的见证者和参与者。近日,他向记者讲述了“悟空”背后的故事。

  今年76岁的艾长春满头银发,精神矍铄,走起路来比小伙子还要快。尽管悟空号在轨运行已经有两年多时间,但作为工程总师的艾长春却极少出现在媒体视线中,他一直出奇地低调。即便就“悟空”的科研成果举行发布会,更多出现在镜头前的也是“悟空”首席科学家常进。

  “悟空”飞天两年依然100分

  艾长春常挂在嘴边的一句话是,要把更多机会留给年轻人。常进比他小20多岁,算是“年轻人”。在“悟空”研制过程中,两人合作非常融洽,各司其职。“他精力旺盛,有闯劲和创新精神,我要多向他学习,支持他的工作。”艾长春说,他从项目一开始就建议,暗物质探测卫星“两总”要定期与首席科学家沟通,让首席科学家有更大的发言权。

  “悟空飞天‘取经’这两年,我做的工作很少,因为卫星在轨运行状态很好。”艾成春笑着说。2016年3月,“悟空”飞天3个月后,中科院国家空间科学中心组织专家对卫星进行在轨测试总结评审,当时给出的指标评定为“100分”。如今,悟空号在轨两年多,探测器性能依然是100分的状态。

  悟空号可以对5GeV到10TeV之间的电子、伽马射线实现“经济适用型”观测。如何理解?1GeV是10亿电子伏特,1TeV是1000GeV,即1万亿电子伏特。拿人眼来做类比,后者所能接收到最敏感的可见光能量,仅仅为2电子伏特。悟空号平均每秒就能“捕捉”60个高能粒子,相当于平均每天500万个高能粒子。而中国的暗物质粒子探测卫星的成本远远低于国际上同类探测器。

  “再重的担子也要扛下”

  1960年,年满18周岁的艾长春刚在郑州市回民中学读完高中二年级,就被一所军事技术学校特招为第一批学员。他起初被告知要支援西部边疆,然而却在1961年被安排到航天机关当参谋。

  在机关工作没空读书,艾长春就报了北京航空学院夜校,白天工作、晚上学习,用4年时间学习了电子技术专业的大学课程。后来,他所学的这些课程终于发挥了作用。从1970年发射第一颗东方红卫星,到1975年发射第一颗返回式卫星,到1980年发射气象卫星,他基本上都参与过这些卫星发射的相关工作。

  艾长春一辈子都在干航天事业。在担纲“悟空”工程总师之前,他曾担任过两颗卫星的工程总师。而与“悟空”结缘,则纯属巧合。他说,在“悟空”发射之前,我国未曾发射一颗空间科学卫星。

  即便在航天领域摸爬滚打了40余年,2011年,当中科院邀请他出任暗物质粒子探测卫星工程总师时,他还是很忐忑,心里一点底也没有,因为这颗卫星带有太多“第一次”:中科院第一次主持卫星大工程,微小卫星工程中心第一次承担超过1000公斤的卫星研制;国内第一次研制以载荷为中心的一体化结构的卫星。

  而更大的压力则在于,一旦接受这个任务,就只能成功,不能失败。在接触悟空号之前,艾长春主要从事应用卫星的研制。而像“悟空”号这样的科学卫星,从事的是空间科学研究,属基础科学研究范畴,就是要抢占第一科学发现,科学发现只有第一,没有第二。

  也就是说,如果你没有世界公认的科研成果产出,任务就算失败了。“大家都在做同一件事,你没有在第一时间得到世界认可的科学发现,那么你过去所有的努力基本上都是没有意义的。”

  思考了一段时间,他决定扛下这副重担。“再重的担子也要扛下。虽然压力巨大,但我有责任担起这个担子,它承载着几代航天人的梦想。”

  从业50年来最棘手的项目

  “悟空”是中科院空间科学战略先导专项的五颗卫星任务之一,它由一个塑闪阵列探测器(PSD)、硅阵列探测器(STK)、电磁量能器(BGO)和中子探测器组成。

  “悟空”通过探测高能宇宙射线粒子,包括各种元素的原子核、电子、伽马射线等粒子,来寻找暗物质湮灭或衰变后留下的蛛丝马迹。“悟空”升空以来,每天绕地球飞行15圈,平均每秒钟获得60个高能粒子,每天获得500万个高能粒子,至今已探测到探查40亿个宇宙高能粒子。

  其实,早在13年前,艾长春还没接手暗物质探测卫星的担子时,他的搭档,彼时担任中科院紫金山天文台副台长的常进便开始研究如何“捕获”暗物质。

  那是2005年,中美联合在南极进行了一场空间探测实验。在当时的实验中,常进所使用的探测器发现了一个奇怪的现象:有一个能量段,大家都认为其计数率应该“下降”,但结果却显示为“超出”,也就是不降反增了。

  当时,常进就心想,这是不是跟暗物质有关?他有了一个想法:如果能做一个大型探测器放到卫星上,就能确定这些奇怪的东西是不是暗物质湮灭产生的高能粒子。

  当担子真正落在肩上时,艾长春才感到任务的艰巨。他毫不讳言,这是他从事航天事业50年来最棘手的项目。

  在担任总工程师的头一年,艾长春几乎没有睡过一个好觉。他把所有载荷研制单位走了一遍。中科院上海微小卫星中心之前没有做过超一吨重的卫星,艾长春就培养队伍,邀请担任绕月探测工程、嫦娥一号卫星系统总指挥兼总设计师的叶培建院士开设工程技术骨干培训班,提高工程师队伍水平。

  “BGO”的晶体量能器是悟空号身上最核心和最重的部分。在项目论证阶段,有专家提出,这个能量器太重了,能不能换个轻一点的。艾长春的团队态度坚决,必须要用重一点的,这样才有可能赶在外国人之前发现暗物质。“科学发现有时就是要抢机会,你落在别人后面发现的东西,可能你之前的努力都白费了。”

  艾长春(左一)和常进(右二)在任务大厅讨论。

  每次“拍板”都捏一把汗

  “悟空”是一个系统工程,每一步都需要工程总师“拍板”。每一次“拍板”,艾长春都承担着常人难以想象的压力。

  在“悟空”出厂前,艾长春就遇到了一个挑战。“悟空”包含73728个精密的硅微条探测单元,每路硅微条只有一根头发丝粗细,并且不能装错。“悟空”出厂时,有337个硅微条探测单元失效,占总数的0.46%。虽然技术上要求在失效率低于2%就可以出厂,但工程人员担心,接下来会不会有更多的探测单元失效?那样的话可就达不到出厂要求。

  “当时我面临抉择,签字,就意味着要负责任。当时已经快到10月份了,距离卫星发射只有两个月时间。”艾长春挥舞着双手,似乎回到了那段激情燃烧的岁月。

  他和常进商量后,常进认为,天上的环境条件要比地上好,失效的单元有可能会恢复。排查硅探测器会拖慢发射进度。艾长春最终在文件上签字,决定卫星出厂,运往发射基地,照常发射。

  果然,在“悟空”发射3个月后,硅阵列探测器的失效探测单元降到118个,有219个恢复正常,印证了常进的判断。常进至今回忆起这一幕仍对艾长春深表敬佩。“艾总真是敢负责任、敢担当。如果当时停下来排查硅探测器,不光可能产生新的问题,卫星的发射也至少要延期4个月。”

  考验还未结束。2015年12月,酒泉卫星发射基地,“悟空”在距离发射不到两个星期时的联合测试中又出现一些小故障,卫星能否按计划发射需要慎重决策。最终,在综合各方意见评判后,艾长春拿定主意,同意火箭仍然在12月17日发射。

  这种重大决断,艾长春并不是头一回遇到。“发现问题不可怕,把问题解决在火箭点火之前就好。”艾长春说,那段时间真是操碎了心,吃饭、睡觉、走路都在想“悟空”,甚至做梦都在想“悟空”。因为压力太大,他曾经连续3天没有睡觉。

  2015年12月17日,当“悟空”发射成功时,热泪盈眶的艾长春和常进拥抱在一起,这对老战友4年多没日没夜工作,付出总算没有白费。“悟空的成功发射,艾总起到非常重要的作用,他利用多年的航天组织和建设经验为‘悟空’工程提供了主要的顶层设计,协调各大系统,确保了工程的成功。”常进说。

  第二批科研成果年底出炉

  回忆起“悟空”从开始研发到现在7年多经历,艾长春将成功经验总结为20个字——担当服务、着眼大局、抓住关键、综合平行、协调发展。“工程总师在面对工程的重大问题时要勇于承担责任。”在采访中,艾长春反复强调着这句话,回忆起悟空研制过程中的种种曲折与艰险,他感慨万千。

  艾长春回忆说,当初设计暗物质卫星曾经有两个方案,一个方案是将1415公斤的探测器放在一个现成的卫星上面,卫星的总重将超过3吨,换用更大型号火箭发射,费用就要增加6000万元;另一个是以载荷为中心设计方案,仅增加400多千克就可实现完整的卫星功能,使得载荷与整星的质量比达到了73%。

  “以前中国科学家只能将研制的仪器搭载在其他卫星上开展空间科学研究。以载荷作为主体,热控件、电源、结构件等服务系统围绕载荷进行设计,这是我国卫星第一次采用此种设计,这种设计在世界上也是罕见的。”艾长春说。

  如今,“悟空”已在轨飞行两年多时间,卫星工作十分稳定,数据质量优异。去年底,暗物质粒子探测卫星的成果在《自然》杂志发表,让艾长春倍感欣慰。科研人员成功获得了目前世界上最精确的高能电子宇宙线能谱,引起了学术界的高度关注。

  “悟空”卫星获取的数据还可以广泛地用于宇宙射线和高能天体物理的研究,为人类理解宇宙中极端条件天体和激烈活动现象等提供帮助。借助“悟空”的“火眼金睛”,我们可以看到宇宙的新面貌。“团队这么多年的辛勤付出总算没有白费,但还不能松口气,硬仗还在后面。”

  新的一年,艾长春的团队又为“悟空”定下全新的“小目标”:新的一年,卫星在继续积累高能电子、伽马射线探测数量的同时,会把收集和分析重点放到50TeV以上的超高能宇宙线粒子上来,力求尽快解开宇宙中的粒子加速之谜。“悟空”第二批成果预计今年年底出炉,艾长春和他的伙伴们对此也充满期待。

  文/广报全媒体记者肖欢欢 图/国家空间科学中心提供

[责任编辑:陈畅]
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