中國風雲氣象衞星40年：正在助力氣象服務跑贏天災-觀科技
今年，是我國“風雲”氣象衞星正式命名40週年，11月28日，一場名為“叱吒風雲——中國風雲氣象衞星四十載的壯麗征程”專題展覽在上海開幕。就在半個月前（11月15日），我國第二代極軌氣象衞星風雲三號D再次發射成功，璀璨星空又多了一顆“中國星”，而在兩個月前（9月26日），風雲四號A星正式交付使用，成為世界氣象衞星的“領跑”之星。
我國是世界上氣象災害最嚴重的國家之一，氣象災害損失佔所有自然災害總損失的70％以上。氣象災害種類多、分佈地域廣、發生頻率高、造成損失重。在全球氣候持續變暖的大背景下，各類極端天氣氣候事件更加頻繁，強颱風、大暴雨等極端氣象災害多發、重發趨勢明顯。
今年是風雲氣象衞星正式命名四十週年，11月28日，由上海航天技術研究院與上海交通大學錢學森圖書館聯合推出的“叱吒風雲——中國風雲氣象衞星四十載的壯麗征程”專題展覽在錢學森圖書館開幕。展出至2018年2月28日。（圖片來源：上海交通大學新聞網）
為了提升全社會抵禦氣象災害的能力，保護千家萬户的生命財產安全，我國建立並完善了一套氣象防災減災體制機制。其中，氣象衞星是這個體制機制的重要支撐，推進氣象災害防線前移。
1977年，國防科工委在上海召開氣象衞星大總體方案論證會,會議正式上報我國第一顆太陽同步軌道氣象衞星命名為“風雲一號”。
今年11月15日，隨着我國第二代極軌氣象衞星的第四顆衞星——風雲三號04星發射成功，到目前為止,我國已成功發射16顆氣象衞星,現有9顆在軌穩定運行,形成了包含風雲一號、風雲二號、風雲三號和風雲四號衞星在內的風雲衞星家族,是世界上第三個同時擁有地球靜止軌道氣象衞星和太陽同步軌道氣象衞星的國家，也是世界上在軌氣象衞星數量最多、種類最全的國家。
“風雲一號”A星僅活39天
萬事開頭難，作為我國研製的第一代太陽同步軌道氣象衞星，“風雲一號”A星的上天之路並不順利。1988年9月4日，在太原衞星發射中心，運載火箭燃料加註完畢，衞星進入發射準備階段，西至喀什、南至海南的測控網站也已全部打開。指揮員發出命令:“5小時準備!”就在這關鍵時刻,發射控制中心的控制枱上突然失去了衞星所有的遙測信號。指揮部不得不決定停止發射。
時任“風雲一號”總設計師孟執中、“風雲一號”工程總師任新民等帶領試驗隊員們,開始了緊張的現場救修。他們爬上幾十米高的塔架,站在20多平方米的高空平台上,對衞星內部精密而複雜的零件逐一排查。
當時,火箭已經加註完畢,裝滿了燃料,每一個排故動作都要極其小心,稍有不慎就會造成災難性事故。而排查時間更要分秒必爭,因為時間一長,火箭受燃料重力擠壓外殼塗層,已經出現了皸裂,再不發射後果難料。
頂住極大壓力,試驗團隊終於找到了“風雲一號”A星的問題所在,並做了一次艱難的“手術”,衞星成功升空。
1988年9月7日，中國啓用“長征四號”火箭，在太原衞星發射中心成功地發射了一顆試驗性氣象衞星“風雲一號”。這是中國自行研製和發射的第一顆極地軌道氣象衞星。
但就升空後第39天,意外又發生了。在國家衞星氣象中心的雲圖接收與處理工作室裏,大家非常失望看到:衞星姿態發生了故障,雲圖正慢慢地變得偏斜,最後,只留下地球的一條弧線。衞星失控了!
當時,國家氣象局鄒競蒙局長曾急切地問:“還有什麼辦法嗎?”孟執中無言以對,眼神裏流露出深深的痛苦。“風雲一號”A星在太空僅39天就結束了“生命”。這一失敗好似利刃,深深地刺痛着每一位航天人的心。
總結經驗教訓,1990年9月3日,“風雲一號”B衞星再次成功發射。但還是由於經驗不足,衞星的計算機電路芯片受空間高能粒子轟擊,產生單粒子翻轉問題,引起計算機工作失常,姿控系統故障。
怎麼辦?我國航天人員開展了一場長達75天的衞星地面營救行動,這在世界航天史上都很罕見。航天人員通過加強地面測控管理,每天六輪監視衞星在軌工作,一次又一次挽救了“風雲一號”B星的生命。
雖然,這顆衞星最終正常運行了285天,沒能達到設計壽命要求。但由此而積累的衞星搶救技術,曾獲得航空航天工業部一等獎、國家重大科技成果二等獎。後彙編成冊,為我國後續衞星可靠性設計和排故提供了寶貴的借鑑和參考。
“風雲二號”01星發生爆炸
“風雲二號”氣象衞星是我國自主研製的第一代地球靜止軌道氣象衞星,使我國成為第三個同時擁有太陽同步軌道和地球靜止軌道氣象衞星的國家。截至目前,共發射7顆,有4顆衞星在軌運行,實現了“多星在軌,統籌運行,互為備份,適時加密”運行模式,為我國和世界的氣候監測及天氣預報提供了實時動態的氣象觀測資料。
成績的背後,我國航天人曾有血的教訓,甚至付出了生命的代價。1994年4月,“風雲二號”01星來到了西昌衞星發射中心。發射隊為了全過程控制衞星的污染問題,在廠房內專門搭建了一個10000級潔淨度、控制環境温濕度的淨化間。衞星順利地加註了燃料,裝上了固體遠地點發動機,準備轉場前的最後一次全面測試。
4月2日上午,模擬射前8小時準備的測試開始,一切都很順利。10點50分左右,時任衞星副總設計師李卿特地到無線測試間,發出模擬2小時準備的口令。他站在頻譜儀前,看了一下淨化間中處於整裝待轉場的衞星,低着頭全神貫注監視轉發器的下行頻譜。
突然,一聲驚天動地的響聲,從廠房大廳透過碩大的測試間玻璃觀測窗傳來。李卿抬頭一看,簡直被眼前的景象驚呆了:一人多高的黑色濃煙,夾着血紅的火光,像潮水般向他湧來；迎面而來的巨大衝擊波,瞬間就震碎了觀測窗玻璃,將他摔倒在地；廠房的供電中斷了,黑暗的測試間內,瀰漫着嗆人的煙味。靠着逃生的本能反應,他艱難地退向身後一扇鎖着的門,猛地擊碎了門上玻璃,才逃離危險。
這次意外的重大事故,使得30多位發射隊員受傷住院治療,同時奪走了在淨化間的總裝工人陳德全的寶貴生命。4個月後,這次事故的原因終於查明:衞星上加註了60千克的無水肼燃料,星上遠地點發動機內也裝有653千克固體燃料,衞星本身就是一個大火工品。
但是,當時由於缺乏經驗,現場人員對肼燃料的性能和危險性並不清楚,對防靜電和環境温濕度有什麼要求等也不清楚。血的教訓,為我國航天事業積累了一筆極為可貴的財富。
“風雲三號”微波成像儀“進口轉國產”
“風雲三號”是我國新一代極軌氣象衞星,跟蹤世界先進水平,堪稱“創新之星”。其中,微波成像儀(MWRI)是一個重要載荷,主要用於遙感觀測全球降水、雲的液水含量、地表植被、土壤濕度、海冰與積雪覆蓋等。在對地和大氣觀測,實現中長期數值天氣預報等方面有重要用途,是中國氣象局需求最迫切、關注度最高的衞星遙感設備之一。
風雲三號微波成像儀（圖片來源：東方網）
1994年，當時微波成像儀只有歐美可以生產,系統之複雜、技術難度之高,在世界航天界首屈一指,我國原計劃從國外進口該設備。但歐空局開價6000多萬歐元,極其昂貴；俄羅斯願意低價提供樣機方案,但經三年多的合作,到2000年底仍無法實現工程研製。最後,我國決定自力更生,在上海組建一個研究室,專門攻克微波成像儀。但此時,已經比整星研製落後了一年半。
難度之大、時間之緊,非同小可。據中國航天科技集團八院參與設計的何勇禮回憶,當初組建的20多人研究室,在巨大的壓力下最後只剩下了6人。實在“熬不下去”的時候,連帶頭人呂利清都悄悄打好了辭職報告。但最終,他帶領核心團隊成員咬牙堅持了下來。這一堅持,就是8年。
按照方案,微波成像儀包括探測頭部、中央處理器、掃描驅動機構及控制器等多個功能模塊,整機重量有150公斤左右。但經過多次協調,總體的重量指標最多隻有100公斤。有一天,萬般無奈的呂利清衝到了工程總師孫敬良的面前,大聲説道:“我要打官司!”
孫敬良看着這個情緒激動的青年人,一面和藹地讓他坐下,一面拿過資料,認真地看了起來。孫敬良用衞星工程系統間為數不多的餘量,全力支持國產微波成像儀的研製工作。沒過多久,微波成像儀的重量指標放寬到了150公斤,國產化的研製工作迅速地走上了正軌。
經過日夜鏖戰,2004年,我國第一台微波成像儀模樣機終於問世,性能指標滿足“風雲三號”氣象衞星的全部要求,並且一舉突破了所有的關鍵技術,為後面初樣和正樣的研製工作掃清了技術障礙。
目前,微波成像儀已經成功地應用於4顆“風雲三號”氣象衞星,應用成果顯著,中國航天科技集團八院的“70後”“80後”設計師,已成為微波成像儀的研製主力軍。
2013年1月初,我國極地科考船“雪龍號”被困南極,就是利用“風雲三號”微波成像儀探測的數據,分析出被困原因,並給出該海域海冰覆蓋變化的總體趨勢。2017年2月21日,全國各地大幅降温,京、豫、魯等地普降大雪,中國氣象局運用“風雲三號”衞星微波成像儀探測的數據,很快就製作出積雪深度圖。
微波成像儀(MWRI)繪製的11月29日全球圖像（圖片來源：國家衞星氣象中心）
我國成為在軌氣象衞星最多國家
今年11月15日,我國成功發射的“風雲三號”D星上的微波成像儀,具有10個遙感通道,探測頻率覆蓋、探測靈敏度、定標精度等性能,已與美國國防氣象衞星（DMSP）載荷相當,達國際先進水平。
“風雲三號”D星的核心儀器還包括升級改進版的“中分辨率光譜成像儀”（MERSI），該設備可以媲美美國最新發射的聯合極軌氣象衞星（JPSS）的成像儀器，每日無縫隙獲取全球250米分辨率真彩色圖像，成為國際上最先進的寬幅成像遙感儀器之一。
“風雲三號”C星的MERSI繪製的全球拼圖
“風雲三號”D星有望將我國天氣預報的“有效時效”延長2~3天。這一點主要取決於該星所攜帶的“紅外高光譜大氣垂直探測儀”，該探測儀採用了目前國際上最先進的傅里葉干涉探測技術，可提升我國中長期數值天氣預報的能力。
該星經在軌測試後將投入業務運行，成為我國低軌道下午觀測的主衞星，與此前發射的“風雲三號”C星組網，形成我國新一代極軌氣象衞星上下午觀測的佈局。
未來十年,我國還將發射10多顆風雲氣象衞星。包括風雲二號衞星1顆,風雲三號衞星4顆,風雲四號衞星2顆,降水測量雷達衞星2顆,晨昏軌道衞星、靜止軌道微波探測衞星、高精度温室氣體綜合探測衞星、大氣環境監測衞星各1顆。
風雲氣象衞星已被聯合國世界氣象組織納入全球對地觀測業務衞星序列。據不完全統計，目前接收和應用風雲系列氣象衞星資料的國家和地區達77個，覆蓋“一帶一路”周邊37個國家。
預計到2030年左右,我國第三代極軌和靜止氣象衞星將形成全球觀測系統,對地球氣候系統進行全天候、全天時、三維、定量探測,滿足我國氣象、水文、農業、防災減災、氣候變化、保障國家安全等需求,將有力提升我國國際影響力。
（觀察者網綜合新華網、中新社、上海交大新聞網、東方網等報道）