科技日報?深瞳工作室出品
科技日報記者 付毅飛 策 劃：陳 磊
[“十四五”時期我國共計劃發(fā)射7顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星。到2035年，我國氣象綜合實力要達(dá)到世界先進水平，氣象深度融入民生保障和行業(yè)發(fā)展，氣象強國基本建成。]
啟動微信，一個孤獨的小人凝望地球。這張美國國家航空航天局向世界公開的第一張完整地球照片名叫“藍(lán)色彈珠”。它是由阿波羅17號宇航員拍攝，視角在非洲大陸上空。
每當(dāng)中國航天科技集團八院氣象與環(huán)境總體室副主任、風(fēng)云四號衛(wèi)星主任設(shè)計師陳曉杰打開微信時，思緒總會不由自主地飛到2017年9月25日那天。
那天是我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號A星正式交付投入使用的日子，微信啟動畫面隨之變臉——圖像仍是藍(lán)色地球，但展示的位置卻變成東半球，拍攝它的正是風(fēng)云四號A星。
“照片視角是從中國上空觀測到的地球，那種感覺很不一樣?！标悤越苤两駥Υ擞∠笊羁?。
1969年初，一場罕見的雨雪冰凍災(zāi)害席卷半個中國，而當(dāng)時世界上擁有氣象衛(wèi)星的國家只有蘇聯(lián)和美國。我國雖然能接收國外氣象衛(wèi)星云圖，但只是單純的“黑白圖像”，無法挖掘原始數(shù)據(jù)、反演各種氣象要素，應(yīng)用受到極大限制。
1969年1月29日，周恩來總理提出：“要趕快改變落后面貌，搞我們自己的氣象衛(wèi)星。”1970年2月，周總理親自簽發(fā)中共中央、國務(wù)院、中央軍委文件，下達(dá)了研制氣象衛(wèi)星的任務(wù)。由此，我國氣象衛(wèi)星事業(yè)正式起步。
迄今為止，我國共成功發(fā)射17顆風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星，目前有7顆在軌運行。這些最“知人冷暖”的衛(wèi)星，在太空中觀察地球的風(fēng)云變幻，提示我們添衣打傘。
風(fēng)云四號衛(wèi)星中國航天科技集團八院供圖
據(jù)中國氣象局消息，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”時期共計劃發(fā)射7顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星?！暗?035年，我國要建立監(jiān)測精密、預(yù)報精準(zhǔn)、服務(wù)精細(xì)的氣象業(yè)務(wù)體系，氣象綜合實力達(dá)到世界先進水平，氣象深度融入民生保障和行業(yè)發(fā)展，氣象強國基本建成。”該局局長莊國泰透露。
命運多舛，首星發(fā)射39天就“夭折”了
1988年9月4日，風(fēng)云一號衛(wèi)星總設(shè)計師孟執(zhí)中站在數(shù)十米高的發(fā)射塔架上，心中翻江倒海。
那是我國首顆風(fēng)云衛(wèi)星原計劃發(fā)射的日子。但在指揮員發(fā)出“5小時準(zhǔn)備”指令后，控制中心突然失去了衛(wèi)星所有的遙測信號，發(fā)射被終止。
風(fēng)云一號衛(wèi)星工程總設(shè)計師任新民下令就地檢查。孟執(zhí)中、時任姿控系統(tǒng)主任設(shè)計師徐福祥帶著試驗隊員爬上塔架，緊張地給衛(wèi)星做著“手術(shù)”。此時，四周沒有護欄，衛(wèi)星下面是裝滿推進劑的火箭，每一個動作都要小心翼翼。
讓孟執(zhí)中倍感壓力的是，預(yù)定發(fā)射時間將至，各地臺站早已準(zhǔn)備就緒，不斷打電話詢問消息；從北京到上海再到發(fā)射中心，沿途通信線路都部署了戰(zhàn)士值守，大家都在崗位上等待著發(fā)射的消息。塔架上的排障工作進展緩慢，孟執(zhí)中既焦急，又愧疚。
直到傍晚，故障原因終于查清，是遙測機的CMOS電路在特定情況下發(fā)生了“栓鎖”。試驗隊員將遙測機取下來連夜返修，第二天早上將它裝回衛(wèi)星。
3天后，歷時近10年研制的風(fēng)云一號A星成功發(fā)射，使我國成為世界上第三個擁有極軌氣象衛(wèi)星的國家。然而僅過了一個多月，意外再次發(fā)生。
這天，國家衛(wèi)星氣象中心工作人員發(fā)現(xiàn)，接收到的衛(wèi)星云圖逐漸偏斜，最后只能看到地球的弧線。衛(wèi)星失控了。
時任中國氣象局局長鄒競蒙急切地問：還有辦法嗎？孟執(zhí)中無言以對。
由于沒有安裝備份設(shè)備，風(fēng)云一號A星在眾目睽睽之下在太空“夭折”，此時距離它發(fā)射升空僅39天。
一場世界航天史上罕見的衛(wèi)星地面營救
1990年9月3日，風(fēng)云一號B星成功發(fā)射。它能及時為第十一屆亞運會提供氣象預(yù)報，但只過了十幾天，它就出現(xiàn)異常。
科技人員及時完成了修復(fù)，但發(fā)現(xiàn)一個棘手的問題：衛(wèi)星在元器件選用和軟件設(shè)計上沒有進行抗輻射加固，這一漏洞使計算機電路芯片暴露于空間高能粒子的轟擊下，很容易產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)問題，隨時會引發(fā)計算機工作失常，姿控系統(tǒng)故障。
漏洞無法填補，唯一的辦法是加強地面對衛(wèi)星的監(jiān)視，出現(xiàn)問題及時糾正。
孟執(zhí)中和徐福祥帶領(lǐng)科技人員分成2個工作組，輪流在西安衛(wèi)星測控中心值班。他們利用衛(wèi)星每天6次過境的機會，監(jiān)視其在軌工作情況。
1991年2月14日，大年夜里，衛(wèi)星云圖突然發(fā)生扭曲，滾動不止。在隨后的75天里，工作人員不間斷地輪流執(zhí)勤，開始了一場世界航天史上罕見的衛(wèi)星地面營救行動。他們像急救醫(yī)生一樣，一次次讓“急癥”發(fā)作的風(fēng)云一號B星恢復(fù)元氣。然而，頻繁的“手術(shù)”讓衛(wèi)星元氣大傷，壽命大打折扣。
最終，風(fēng)云一號B星斷斷續(xù)續(xù)工作到1992年11月，在軌累計正常運行285天，未能達(dá)到1年的設(shè)計壽命指標(biāo)。
“兩彈一星”功勛科學(xué)家孫家棟院士，作為風(fēng)云二號衛(wèi)星工程總設(shè)計師與“風(fēng)云”相伴了40多年。他曾說：“我一生做過多個衛(wèi)星總師，風(fēng)云二號最讓我難忘?！?/p>
1994年2月，我國首顆地球靜止軌道氣象衛(wèi)星——風(fēng)云二號01星來到西昌衛(wèi)星發(fā)射中心。經(jīng)過多項測試后，衛(wèi)星順利加注了燃料，裝上了固體遠(yuǎn)地點發(fā)動機，只待開展轉(zhuǎn)場前的最后一次全面測試。
4月2日上午，測試開始。10點50分左右，固體遠(yuǎn)地點發(fā)動機燃燒爆炸，黑色濃煙夾著血紅的火光涌出來，觀測窗玻璃被震碎，廠房供電中斷。
這次重大事故奪走了一位總裝工人的生命，并導(dǎo)致30多位試驗隊員受傷住院。由于不了解肼燃料的性能和危險性，忽視了防靜電和環(huán)境溫濕度要求，航天人遭受了慘痛教訓(xùn)。
風(fēng)云一號C星打了個漂亮的“翻身仗”
接二連三的事故，讓風(fēng)云衛(wèi)星研制陷入低迷。但一次次跌倒的航天人，又一次次倔強地站了起來。他們將沉甸甸的經(jīng)驗教訓(xùn)匯編成冊，成為指引后續(xù)工作開展的典型教材。
被任命主持風(fēng)云一號C星研制工作時，孟執(zhí)中已經(jīng)60歲了。此前的挫折讓他心有不甘。他分析，風(fēng)云一號A星、B星未完成任務(wù)的原因，不在于性能指標(biāo)沒有達(dá)到要求，而是由于可靠性不高造成中途夭折。研制1顆長期可靠、穩(wěn)定運行的業(yè)務(wù)應(yīng)用氣象衛(wèi)星，成為團隊共同的目標(biāo)。
1999年5月10日，風(fēng)云一號C星成功發(fā)射。這次發(fā)射后來被選為我國20世紀(jì)最后一年的3件大事之一，鐫刻于中華世紀(jì)壇。2000年8月，世界氣象組織將該衛(wèi)星列入世界業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星序列。
風(fēng)云一號C星打了個漂亮的“翻身仗”。它在軌穩(wěn)定運行達(dá)7年，被譽為“太陽同步軌道長壽第一星”，揭開了我國氣象衛(wèi)星事業(yè)上新的一頁。
此后，風(fēng)云衛(wèi)星發(fā)展之路越走越順。
2002年，風(fēng)云一號D星發(fā)射，成為國內(nèi)壽命最長的遙感衛(wèi)星之一。2004年發(fā)射的風(fēng)云二號C星，是當(dāng)時國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的業(yè)務(wù)應(yīng)用衛(wèi)星，并獲得世界氣象組織的高度評價，被列為全球氣象衛(wèi)星觀測網(wǎng)的重要業(yè)務(wù)衛(wèi)星之一。2006年到2014年，我國先后發(fā)射4顆風(fēng)云二號系列衛(wèi)星，挑起了國家重大活動氣象保障重?fù)?dān)。
2008年，北京奧運會開幕前夕，我國第二代太陽同步軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號首發(fā)星升空。此后，風(fēng)云三號B星、C星、D星相繼發(fā)射，實現(xiàn)了對風(fēng)云一號的升級換代。它們組網(wǎng)運行、功能互補，實現(xiàn)從二維成像到三維探測、從單一光學(xué)到全譜段寬波譜探測，并使全球數(shù)值天氣預(yù)報更新時間大幅縮短、預(yù)報時效延長，預(yù)報精度也進一步提高。
在國際“暗戰(zhàn)”中逆襲，一顆星干兩顆星的活
2021年1月15日，上海菜市場里的太湖矮腳菜，價格較10天前翻了一倍。當(dāng)?shù)孛襟w發(fā)現(xiàn)，這與近日連續(xù)出現(xiàn)的寒潮頗有關(guān)系。據(jù)氣象臺預(yù)報，1月16日又有寒潮侵襲，當(dāng)?shù)厥卟斯?yīng)單位提前部署，全力開展了應(yīng)急保供工作。
天氣變化影響著人們穿衣、出行，乃至生活的方方面面。國家衛(wèi)星氣象中心遙感應(yīng)用室主任、風(fēng)云氣象衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師唐世浩介紹，為準(zhǔn)確預(yù)報寒潮提供支撐，以及監(jiān)測寒潮的發(fā)展和影響，只是風(fēng)云衛(wèi)星的“基本功”之一。
尤其是被稱為中國氣象衛(wèi)星界“實力擔(dān)當(dāng)”的新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星——風(fēng)云四號A星成功發(fā)射，使我國氣象衛(wèi)星技術(shù)從跟跑、并跑轉(zhuǎn)向并跑、領(lǐng)跑，推動我國氣象綜合能力進一步提高。
回想起風(fēng)云四號A星的研制和發(fā)射，陳曉杰感覺像一場激烈的競賽。
2016年，仿佛事先約定過一樣，中國、美國、歐洲、日本的新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星研制，均發(fā)展到緊要關(guān)頭，大家暗中較著勁。
除了歐洲衛(wèi)星由于種種原因至今尚未發(fā)射，2016年11月初，日本率先發(fā)射“向日葵9號”（Himawari 9）衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星采用了許多美國的技術(shù)和產(chǎn)品，將代替該國此前發(fā)射的“向日葵8號”。
11月19日，美國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星GOES-R發(fā)射。業(yè)界評價說，與以前的氣象衛(wèi)星相比，該衛(wèi)星帶來的飛躍如同從黑白電視變成高清彩電。
12月11日，我國風(fēng)云四號A星發(fā)射。
陳曉杰表示，風(fēng)云四號A星不僅對地綜合觀測能力全球領(lǐng)先，還是國際上首顆單星實現(xiàn)對地“多光譜二維成像+高光譜三維探測+超窄帶閃電成像”綜合觀測的靜止軌道氣象衛(wèi)星。
過去，垂直探測儀器和成像觀測儀器的相互干擾，一直是國際上的難題。歐洲此前的做法是將兩者分別放在2顆衛(wèi)星上工作。
比起國際競爭對手，風(fēng)云四號A星的性能毫不遜色。有人形容，這顆星同時干著2顆星的活。
據(jù)風(fēng)云四號衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師董瑤海介紹，該衛(wèi)星通過自主研制的SAST-5000衛(wèi)星平臺，實現(xiàn)了帶有運動光學(xué)部件的多載荷同時工作，各載荷和諧共處。
該衛(wèi)星搭載的多通道掃描成像輻射計，是當(dāng)時我國靜止軌道衛(wèi)星最先進的輻射成像儀，能夠每15分鐘對東半球掃描一次，最高空間分辨率達(dá)到500米。“500米精度對于接近36000公里高的地球靜止軌道來說，相當(dāng)于在幾公里之外放置幾盞燭光，而且看得清清楚楚?！倍幒Ｕf，這一精度與美國同期發(fā)射的GOES-R衛(wèi)星相當(dāng)。
同時，風(fēng)云四號A星搭載的干涉式大氣垂直探測儀，可以對大氣進行垂直探測；搭載的我國首臺星載閃電成像儀，可用廣角鏡頭盯住我國及周邊區(qū)域，不眠不休時刻準(zhǔn)備拍攝，每秒能拍500張照片，記錄閃電的頻次和強度。
15年后，氣象綜合實力全球領(lǐng)跑
今年起，風(fēng)云家族要“添丁”了。
據(jù)中國氣象局消息，風(fēng)云四號的第二顆衛(wèi)星——風(fēng)云四號B星，目前研制工作基本已經(jīng)完成，按照計劃，今年將擇機發(fā)射。
風(fēng)云四號B星的載荷得到了優(yōu)化。例如，多通道掃描成像輻射計，部分通道得到了局部優(yōu)化；大氣垂直探測儀的空間分辨率也得到了提升。
同時，這顆衛(wèi)星上新增了一臺快速成像儀，它能通過調(diào)整鏡頭，根據(jù)指令對不同區(qū)域進行靈活的觀測，分辨率在目前全球靜止軌道氣象衛(wèi)星中最高。
唐世浩對此頗為期待。他說，目前風(fēng)云四號A星對我國及周邊區(qū)域的成像是5分鐘一次，最高分辨率為500米。對一些尺度較小、持續(xù)時間較短的天氣現(xiàn)象，可能就漏掉了。而風(fēng)云四號B星搭載的快速成像儀，可以實現(xiàn)對數(shù)百萬平方公里區(qū)域1分鐘一次成像，最高分辨率達(dá)到250米左右，對中小尺度的天氣系統(tǒng)具備更強的監(jiān)測能力。
今年我國計劃發(fā)射的風(fēng)云三號E星，將是世界首顆晨昏軌道氣象衛(wèi)星。目前全球極軌氣象衛(wèi)星均為上午或下午軌道，意思是其觀測時段為上午或下午。而風(fēng)云三號E星將在晨昏時間進行觀測，可彌補當(dāng)前的觀測空白，提高全球數(shù)值天氣預(yù)報精度和時效。
唐世浩介紹，風(fēng)云三號E星與目前在軌運行的風(fēng)云三號系列衛(wèi)星組網(wǎng)運行后，每天的觀測時間分布將更均勻，并得到晨昏時間的氣象資料。另外，過去風(fēng)云衛(wèi)星在夜間只能通過紅外和微波儀器觀測，而風(fēng)云三號E星搭載了微光觀測設(shè)備，具備可見光夜間觀測能力。
記者從中國氣象局獲悉，“十四五”期間我國計劃發(fā)射的風(fēng)云衛(wèi)星，軌道種類會進一步豐富。例如在地球靜止軌道上，會有不同軌位風(fēng)云衛(wèi)星，通過光學(xué)和微波手段進行觀測。在低軌方面，除了上午、下午軌道和晨昏軌道，我國還將向低傾角傾斜軌道發(fā)射降水衛(wèi)星，主要對低緯度地區(qū)的降水進行監(jiān)測。
唐世浩表示，未來風(fēng)云衛(wèi)星的發(fā)展主要包括提升對大氣風(fēng)場、云雨大氣及其垂直結(jié)構(gòu)的監(jiān)測能力，提高監(jiān)測精度和監(jiān)測時效，同時增強衛(wèi)星的協(xié)同機動觀測能力等。
