“中國數據”為全球大氣環境監測作貢獻

環境污染和氣候變化，是制約全球經濟和社會可持續發展的重大因素，事關國際社會共同利益，也關系地球未來。

在安徽合肥西郊風景秀麗的科學島上，中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所（以下簡稱安光所）有一支隊伍，數十年來，他們潛心研制星載大氣成分遙感探測載荷，有力補充了我國在大氣成分數據方面的空白與不足，保障了“中國數據”的自主可控和真實可靠，為環境監管治理和氣象氣候研究提供了一個非常有力的手段，也提升了我國在環境外交中的話語權。

“此次獲得科苑名匠團隊的榮譽稱號，是對我們工作非常大的激勵和鼓舞。”團隊負責人、安光所副所長熊偉向《中國科學報》介紹，目前，他們正在研制兩臺裝載在大氣2號衛星上的載荷。

星載大氣成分遙感探測載荷研發團隊。受訪者供圖

首獲第一手“中國數據”

衛星載荷，就是衛星上裝載的實現特定衛星任務的儀器或設備。它相當于一臺高分辨率的“太空相機”，可以給大氣“拍照”，獲取大氣成分數據。

“每一種氣體都有它獨一無二的光譜信息，就如同人的指紋。研究人員首先通過載荷獲取到這種‘指紋信息’，分析出它是什么氣體，再根據光譜上吸收的深淺變化反演出氣體濃度變化，最終準確評估氣體的狀態及其影響。”熊偉解釋其中的科學原理。

大氣環境除了與人們的生活息息相關，還與國家的環境外交有很重要的關系。

熊偉介紹，很長時間里，我國對污染氣體和溫室氣體的監測，比如二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、甲烷等，主要依靠歐美及日本衛星的數據。因此，在很多環境污染的重大節點與重大話語權上，中國顯得相對被動，很難有發言權。

2018年5月9日，我國首顆高分辨率大氣環境觀測衛星——高分五號01星成功發射。衛星上搭載的6臺有效載荷，其中3臺就是由熊偉團隊研制的。

這3臺載荷使得我國從此可以定量獲得區域上空及全球空氣質量變化、污染氣體的分布輸運數據。

隨后，針對我國對大氣成分數據的迫切需求，熊偉團隊多次承擔了高分專項、空間基礎設施等重大專項中高分五號02衛星、環境減災二號衛星以及陸地生態碳衛星等16顆衛星、多類型20臺/套載荷的研發。

熊偉說，“這些載荷對中國獲取、分析全球大氣環境數據，最終發布‘中國數據’起到了重要作用，為我國增強氣候變化、環境監測、應急減災等方面能力提供了重要支撐。”

熊偉（左一）在指導研究生設計。齊瓊 攝

將載荷“搬上”衛星

2011年12月，熊偉團隊首次承擔高分五號01星載荷研制項目，正式邁入航天載荷的研制征途。“我們研發的設備能跟隨衛星上天，這是科技工作者的榮耀。”熊偉說。

在此之前，他們一直在研發地面探測設備，并取得了諸多成果。這為航天載荷研制奠定了堅實的基礎。

衛星載荷研制最大的難點在于提高精確度。“比如，目前二氧化碳濃度已達420ppm（百萬分比濃度），而它一年的變化量只有1ppm，載荷首先要在萬米高空上‘拍到’1ppm這么小的變化量，然后測算出它變化了多少，技術上的挑戰還是非常大的。”熊偉說。

不同于一般項目，航天項目都設有嚴格的時間節點。熊偉說，“時間緊，任務重，是研制的另一個難點。所以加班加點是常有的事。”

同時，把衛星載荷這些“大家伙”從實驗室“搬上”衛星，還需要“過五關斬六將”，在進入發射場前，還會進行震動試驗、高低溫試驗等整星試驗。

熊偉舉了一個螺絲釘的例子。衛星發射時，會產生非常劇烈的震動。前期，他們在地面做震動試驗時，發現載荷上有的螺絲釘松了，甚至飛出去了。當時，在場的人都愣住了。

有人建議在螺絲釘邊上用點膠粘住，但點膠的選擇也大有學問。因為點膠在真空環境下會揮發，附著在光學器件表面，導致光不能透過去。他們又得重新尋找合適的點膠。

最重要的是，航天項目還不可維修，必須一次成功。為確保衛星載荷“零差錯”，他們在載荷上裝載了一個定標的裝置，這相當于一個秤的砝碼。

熊偉說，“我們把太陽當成一個標準源，通過比對載荷觀測太陽的變化，計算出載荷的衰變進而修正載荷的觀測數據。”

一點點探索，一點點解決……熊偉帶領團隊，攻克了空間外差超光譜技術、痕量差分光譜探測技術、多角度偏振探測技術等多種關鍵技術，解決了在軌高精度定標及定量化應用等技術難題。

熊偉（左一）與同事在做定標測試。齊瓊 攝

年輕的力量

2009年，還在科學島上攻讀研究生的路美娜加入了熊偉團隊。在導師的指導下，她擔起讓載荷“成像”的任務。

“簡單來說，就是讓載荷給大氣‘拍照’，把光信號轉換成電信號，對電信號進行采集及傳輸。”路美娜說，原理都清楚，但實施起來卻無從下手，只得靠自己不斷嘗試、調試。因此，那段時間，每天晚上10點之前，她沒回過宿舍。

路美娜已記不清自己花了多長時間，經歷了多少次失敗，但一直記得當載荷傳出圖像那一刻的感受。“真的特別激動”。

現如今，路美娜對各種類型的載荷“成像”都輕車熟路。她說，“做科研最重要的是獨立摸索，在過程中積累經驗，相信付出就會有收獲。”

凌明椿也是從研究生階段進入團隊。“剛進入團隊時，老師們很注重培養方式，敢于放手讓大家嘗試，我們也得以迅速成長。”

2017年12月，熊偉團隊再次承擔高分五號02號星4臺載荷研制工作。與01號星不同，這次項目管理單位提出了“一步正樣”的要求，即衛星載荷研制階段直接從原先的原理樣機、工程樣機、初樣、正樣調整為正樣。

這給團隊帶了很大的挑戰。彼時，路美娜、凌明椿等年輕的力量挑起了大梁，站在前輩的“肩膀”上，一年時間內迅速研制出了4臺衛星載荷。

熊偉介紹，衛星載荷研制涉及到光學設計、機械設計、電子學設計、軟硬件開發、數據反演等多學科方面。目前，團隊擁有固定成員30多名，平均年齡35歲。團隊先后獲得了安徽省科學技術進步獎一等獎2項、航天貢獻獎、中國生態環境十大科技進展等多個集體榮譽和個人獎項。

在熊偉看來，與一群志同道合的同事，朝著一個共同的目標，把一件原本認為不可能完成的事情做成了，滿足了國家的需求，這便是做科研最大的樂趣。

“未來，我們將進一步發展相關載荷技術，力爭為我國環境、氣象、資源、遙感等領域的科技自立自強作出更大貢獻。” 熊偉表示。