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【回眸2017】风云四号总设计师董瑶海:谁在卫星上“敲榔头”?风云四号B星探究竟

2019/9/11 17:32:24

【回眸2017】风云四号总设计师董瑶海:谁在卫星上“敲榔头”?风云四号B星探究竟

“照片?我们这个可不叫照片!”风云四号气象卫星总设计师董瑶海眉头一皱,纠正着我的用词。


我们在谈论的是今年9月底,微信的那次“变脸”。从9月25日17时起至9月28日17时,风云四号气象卫星从太空拍摄的气象云图取代了美国阿波罗17号宇航员所摄的“蓝色弹珠”,成为微信启动页面。虽然只是短短三天的变化,但这个变化背后却有着不一样的含义。

左图为“蓝色弹珠”启动页,右图为“风云四号气象卫星云图”启动页


如何科学、准确地描述这幅图?董瑶海认为得从风云四号是颗定量遥感卫星开始讲起。“风云四号对青海湖温度的测量误差不会超过1度,如果湖水温度有很小的变化,卫星也能准确感知出来。举例来说,青海湖的温度是20℃,风云四号卫星可以在36000公里外做到对其温度的测量误差小于1℃,同时,当湖水温度变化0.1℃时,卫星就能够准确感知出来。”


“你看到的是一张照片,但其实蕴含的是很多定量元素,云的厚度、云里面冰的含量、水汽含量、温度……都包含在这里。”语速极快的董瑶海讲起数据和专业术语滔滔不绝,而我只能若有所思地点点头。


今年51岁的董瑶海顶着一头乱蓬蓬的卷发,全身洋溢着理工男不修边幅的气息。从大学毕业被分配进上海航天系统开始,他就开始参与设计、研发风云气象卫星。2003年,37岁的他担任风云三号的副总设计师,是当时风云气象卫星最年轻的副总设计师之一。2006年,他担任了风云三号的总设计师,是最年轻的总设计师之一。三年之后,他又开始转战风云四号。


董瑶海犹如搭乘了一辆有着明确目标、笔直向前的列车,精进业务,经受住漫长的研发周期的考验,不断挑战技术难关,然后一切顺理成章。


只是,列车上其他乘客上上下下、来了又走。当初和他一批分配进入上海航天系统的49名同学,如今还在干航天的,只有不到10个人。收入不多,压力巨大,是航天人的普遍状态。


加班太累时,董瑶海会和同事们相约在烧烤摊上轮流请客喝啤酒。但他再三跟我说,“老是写我们多苦多苦,我是不同意的,我们航天人也是非常阳光的。”


“我们航天人可以非常自信地说,有技术!早年去国外谈判,我们小心翼翼。现在很自信,买你一点小部件可以吗?当然可以。”董瑶海说这话显然是有底气的,风云四号卫星整星技术达到国际先进水平, 所有的核心技术自主掌握,部分数据还是国际气象界迫切期望使用的,除了中国的风云四号气象卫星,目前没有任何一颗在轨卫星能够提供。


董瑶海这一代的航天人与他们的前辈很不一样。中国第一代航天人背负着的是国家和人民的希望,手中却一穷二白,只能埋头“跟跑”。而摆在董瑶海面前的任务是要赶美超欧,从他这一辈航天人开始,中国的航天技术正从“跟跑”到“并跑”,并逐渐向“领跑”跨越。


今年春节前夕,董瑶海走进中国气象局卫星地面接收站的一个大房间时发现,左边是风云三号的云图,右边是风云四号的云图。“作为两颗卫星的总设计师,这一刻,我感觉值了。”董瑶海捋了一把乱发,嘿嘿一笑。

采访现场照片


“全是农民加街道工厂的感觉”


上观新闻:您是1986年从哈工大毕业进入上海航天系统,一开始知道自己要做气象卫星吗?


董瑶海:不知道,来了才知道。我是上世纪80年代上海航天系统大规模招收的第一批。以前每年就招1、2个,那次招了49人。


那时候我被分配进509所,在华宁路剑川路,锅炉厂对面。


上观新闻:有点印象,我记得以前厂房比较破旧。


董瑶海:现在可气派了。我刚来的时候,卫星总装厂屋顶是漏雨的。来参观的人说,哎呀,街道工厂怎么能生产卫星呢?


真的是这个感觉。当时从科研研发的硬件设备,到人的穿着打扮,全是农民加街道工厂的感觉。


上观新闻:农民?


董瑶海:我们看到的任新民老总(两弹一星元勋,被誉为中国航天“总总师”,曾担任中国6项大型航天工程的总设计师)、孟执中院士(风云一号、风云三号 卫星总设计师,中国工程院院士),他们穿着对襟的褂子,脚上穿着布鞋。你还记得前一段时间网上流传很广的“布鞋院士”吗?他们就穿成那样。


上观新闻:您当时是被分配到风云一号?


董瑶海:对,当时八院(中国航天科技集团公司第八研究院,即上海航天局)一共就两颗卫星:风云一号和风云二号。所里400多人,也就是差不多200个人搞一个卫星。我负责非常小的部分,叫做卫星遥测数据处理,一开始连座位都没有。


我们当时天天加班,但设备天天坏。为什么?因为当时我们国家的工业基础和元器件水平比较低,也没有元器件筛选这些环节,质量控制不像现在这么规范,我们也不知道如何去规范这个过程,只能边研制边摸索。


机器坏了,拿回去修修再用。现在回头再看,这样造出的卫星是肯定不可能长寿命运行的。


上观新闻:所以1988年发射的风云一号A星只运行了39天?听说在发射前6小时还出了问题。


董瑶海:是的,风云一号A星在发射前出了故障,发射当天,一个器件本来挺正常,突然出了栓锁问题。孟总和一批专家爬到40多米高的塔架上,抢修了三天三夜。后来他跟我们说,当时都快跳塔架了,压力非常大。


上观新闻:当时您在现场吗?


董瑶海:在,我在火箭发射塔下面的地堡里。火箭发射进入倒计时程序,我们就撤到地堡里,那次任老总也在地堡里,直至发射成功。


那次抢修好了,但是工作39天后,卫星姿态又失控了。当时孟总正在中国气象局看卫星传回的云图,本来是对地扫描,突然图像就慢慢斜了。控制系统发生故障,只能眼睁睁地看着它消失在茫茫太空中。


尽管出了这么多事,但风云一号A星还是实现了很多第一:第一次使用星载计算机;第一次发现了太空深冷环境中的污染——就是水汽在仪器上结霜;第一次从低轨卫星上传输信号,不需要胶片了。


上观新闻:两年后,风云一号B星发射也出了问题,那次是抢救回来了吧?


董瑶海:是的,那一年年三十晚上B星突然在太空不断翻滚。因为太空高能粒子打乱了B星的计算机程序,使计算机出现了“非程序”,造成了卫星工作的紊乱。那也是我们第一次发现高能粒子对计算机的影响。


上观新闻:我看当时的报道,您对卫星进行动力学仿真和姿态确定,调整了卫星的姿态,在抢救中发挥了很大的作用。


董瑶海:那是瞎说的,我就是一个小兵。那时候孟总带头,研究怎么把高速旋转的卫星消下来。整整抢修了72天,真的把它救下来了,积累了非常多的经验。


上观新闻:两颗卫星连续出事故,你们压力大不大?


董瑶海:任新民老总,平时非常和善,是个慈眉善目的长者。但是,在抢救B星的时候,他坐在一个破旧的沙发上,神情极为严肃,板着脸批评我们:“把卫星搞成这样,你们犯罪!要抓进监狱里去!”孟总坐在对面的一把椅子上,一句话都不敢回,我们站在两边,大气不敢喘。


我们知道航天是以成败论英雄的。当时大家所承受的压力巨大。

1988年,风云一号工程总师任新民(右)与孙敬良在太原卫星发射中心指挥风云一号A星发射


风云一号C星被称为“争气星”


上观新闻:风云一号B星之后,你们立刻开始攻关C星了吗?


董瑶海:没有。


上观新闻:为什么?


董瑶海:因为A星、B星的相继受挫,当时对于继续自己研制卫星,还是直接购买采用国外气象卫星的数据是有争议的。


幸好,任新民老总力排众议,四处奔走,陈述各种支持国产化的理由,坚定要求支持我们的这支气象卫星队伍走下去,并坚信凭我们国家的能力一定能够蹚出一条路来。经过他和原气象局局长邹竞蒙的努力,1994年,风云卫星重新立项。


那时孟总已经60岁了,身体也不太好,到儿子家休养了一段时间,本来打算退休了,但看到大家这么起劲,还是回来了。他跟我们说:“我今年已经60岁了,愿意与大家一起继续奋斗,把卫星搞好。”大家都很激动,就跟着他继续干。


上观新闻:当时大家都憋着一口气吧?


董瑶海:是啊。那时候,孟总提出口号:“要把可靠性和性能放在同等地位,甚至当性能和可靠性遇到矛盾时,要让给可靠性”。他带队提高可靠性,从那时开始,我们挑选元器件的流程是,先淘汰一批质量差的元器件,做成印制板之后,继续筛选,另外设计、生产、测试上的可靠性也全面解决。


就在中国驻前南使馆遭到以美国为首的北约轰炸后两天,风云一号C星发射,因此C星也被称为“争气星”。它的成功发射还作为20世纪末中国三大事件之一,被刻在中华世纪坛上。


风云一号C星上去后工作非常稳定。D星进一步提高了遥感的性能,设计寿命只有2年,到现在还在太空运行,远超设计寿命。

董瑶海工作照


要看到洪水把堤坝淹没的情况


上观新闻:之后您就开始负责风云三号了吧?


董瑶海:我们打完风云一号已经是2002年了,2000年风云三号已经进入工程研制阶段。那可是翻天覆地的变化。风云一号1吨重,只有一个遥感仪,风云三号3吨重,有10个遥感仪,所有的遥感仪都要达到非常先进的指标,太阳能帆板展开后有近十米长,像一堵墙一样。


风云三号卫星立项的时候,没有人看好,包括我们的同行。


上观新闻:太难了吗?


董瑶海:太难!所有的要求都瞄准全球最先进的指标。


那时,中国气象局国家卫星气象中心主任张文建给我们做报告,他给我们看了几幅美国的遥感图,洪水泛滥时,美国的卫星,250米分辨率,能看到洪水把堤坝淹没的整个情况。风云一号是1公里分辨率,看不清。


所以我们下决心把风云三号A星研制指标给改掉了。美国的成像仪只有2个250分辨率通道,我们要搞3个250米分辨率,就是这么提指标。


不光这个载荷,还有微波成像仪,之前我们国家从来没有搞过。同时我们还要进行定量探测,但当时我们国家连相关的计量标准都没有。


经过8年攻关,风云三号A星发射成功,我们在基地看到卫星载荷一个一个打开,每一个打开都很好,大家都非常激动。


后来国家卫星气象中心副主任卢乃锰带来了一副卷轴,打开一看,是风云三号传回的第一张云图,显示沙漠上一个个泉眼非常清晰,达到了当年要看清楚洪水把堤坝淹没的整个情况的要求。


不光能看洪水泛滥,还能看紫外臭氧能看了,森林大火的着火点也能看了,还能预估粮食产量。


上观新闻:我记得风云三号还是“奥运星”。


董瑶海:是的。2008年5月27日发射,直接为奥运会服务,每天预报奥运场馆温度,预报暴雨,特别擅长中长期数值气象预报。


以前欧洲中期数值预报中心说我们的卫星只有黑白图像,当然我们也承认,风云一号两颗星发回的是黑白图像,但风云三号发射后,欧洲中期数值预报中心主动要求使用风云三号卫星的数据。他们还发来一封信感谢信,赞扬我们提供的数据非常好。

风云四号开展太阳帆板展开试验


“这次是掉进100米深的深坑”


上观新闻:打完风云三号A星,您怎么又去搞风云四号了?风云三号是太阳同步轨道气象卫星,风云四号是地球静止轨道气象卫星,完全不一样。


董瑶海:当时院分管卫星领导找我,让我去做风云四号。我一开始并不情愿,一个是太累了,一颗星要做7、8年。另一个,我一听风云四号的指标,太难了,36000公里高空对地探测精度误差控制在1公里之内,相当于在36000公里的高度,要看徐家汇的东方商厦,不能看到淮海路的东方商厦,那是非常难的。 第二个难点是干涉式大气垂直探测仪,这是一种类似于给大气“做CT”的仪器,但它特别怕震。中科院上海技物所的科学家跟我说,吹一口气,它就不灵了。卫星上震动很大,干涉仪怎么装上去?


还有一个难点是风云四号是高轨卫星,三轴稳定,卫星有一个始终面向地球的固定对地面,温度低至零下100℃~200℃,而面向太阳的另一边,温度能达到零上100℃~200℃,材料极易变形。


其他还有很多要攻克的难题,当时真的吓了一跳。我跟团队说,这次是掉进100米深的深坑里爬不出来了。


上观新闻:后来怎么从坑里爬出来?


董瑶海:首先找人。我们去找研究微振动的专家,大学里没这门课,我们就组建了一个博士团队,5年时间,我们从理论分析开始,试验方法、实物生产、整星试验、星上探测,一步一步解决。


当时卫星上需要一个精度到1角秒的扫描控制仪器,我去欧洲考察,看到这个产品,民用的可以卖,宇航级的我问卖不卖,对方开价5000万欧元。其实就是不卖,我们只好自己找。


当时国内没有一家单位愿意做,风险大、钞票少。后来我们找到常熟的一家民企有个老工程师掌握类似技术,他以前是昆明机床厂的总工程师,水平相当高。他只拿了一点点钱,和我们的团队一起攻关,5年,做出来了。


上观新闻:什么时候感觉压力最大?


董瑶海:发射前半年,我们发现遥感仪有问题,如果不解决就不能出厂。我去找中科院上海技物所的研究员丁雷,我们几乎运了半颗卫星到技物所一起攻关,最后是临出厂前一个月,终于把问题解决了。


丁雷半年没有回家,天天在实验室呆着,晚上就睡沙发。我们有个微信群,他经常半夜发信息,我们就知道他又睡沙发了。我们也是一样,从2016年春节到卫星发射,一天没有休息过。卫星一直运转,不同部门的人三班倒,轮流上。


上观新闻:风云四号A星发射成功后,是不是觉得辛苦有了回报?


董瑶海:天津滨海新区爆炸的时候,有国家把爆炸后烟飘动的情况做成动图发到网上去了。我看到当时很多网民都在骂我们,为什么我们自己的气象卫星做不出来?


风云四号发射后,我们发现某地正在发生火灾,通过卫星云图,着火点、烟雾飘动的方向都看得清清楚楚,一点也不比别的国家的卫星差。

卫星进行转运至发射塔架前的准备工作​


到底谁在卫星上敲榔头


上观新闻:和您一批进上海航天局的49人,现在还有多少人在干这行?


董瑶海:留下10个不到,大部分都跳槽了。上世纪90年代开始,收入差距拉开,出国的出国,跳槽的跳槽,留下来的都是“傻瓜”。


上观新闻:为什么当这样的“傻瓜”?


董瑶海:兴趣。上世纪90年代的时候,我老婆嫌弃我收入太低。我当时的工资是1000元一个月,她在外资企业上班,1500元一个月。但是我跟我老婆说,我喜欢这份工作。


一方面,我对电子电路、遥感器确实有兴趣。另一方面,看到卫星上去后,真的有用。


从1988年我国第一颗气象卫星风云一号成功发射,到两周前刚刚成功发射的风云三号D星,中国风云系列卫星全面升级换代,天气预报准确率已从上世纪的50%提高到现在的90%。


以前我国预报台风,4小时预报误差是300公里,有了气象卫星后,缩小到70公里,也就是只需要转移70公里内的居民就可以了。上世纪60年代,一个台风可能要死伤好多人,现在几乎是零死亡率。


前一段时间,我回我的母校宁波姜山中学做讲座,有一位80多岁的老人来找我,他以前是军舰上的首席天气预报员,他感叹说,如果当年有风云卫星就好了。


上观新闻:未来我国还要发射10余颗气象卫星,你们是不是又给自己“挖坑”了?


董瑶海:我们自己愿意“挖坑”。风云卫星团队一直有这样的传统,一颗星发射成功后,后面一颗星要提更高的指标要求,甚至要超过国外标准。每一次都要到极限。


这次风云四号B星,我们又给自己“挖坑”,我们也在研究风云四号微波星,希望能看透台风眼。


我们还想解决一些难题。这次我们在风云四号的震动传感器接收到信号,类似于有人在卫星上敲榔头,一天敲20次,持续20秒,之后信号很快衰减。


上观新闻:杨利伟在“神舟五号”飞船上进行太空飞行时,也听到一种木榔头敲击铁桶的“敲击声”,是不是和这个类似?


董瑶海:对。国内外的宇航员都有类似的经历,科学家给出了一些解释,但是并没有确凿的证据。我相信以前的卫星也有类似的声音,但以前的卫星没有这么灵敏,没有安装震动传感器。


我们打算在风云四号B星上布置了更多的测量传感器,一定要把这个问题搞明白。