由我國自主研制的首顆全球大氣二氧化碳觀測科學實驗衛(wèi)星（以下簡稱“碳衛(wèi)星”）將于今年5月出廠，目前衛(wèi)星所有載荷已完成初樣研制，各項工作已進入收官階段，并將于8月發(fā)射。

這顆衛(wèi)星搭載了一體化設計的兩臺科學載荷，分別是高光譜二氧化碳探測儀以及起輔助作用的多譜段云與氣溶膠探測儀。目前，由中科院長春光機所負責研發(fā)的兩臺載荷已經(jīng)完成設計研制。

鮮為人知的是，這兩臺載荷的設計科研團隊平均年齡只有32歲。

如何通過高光譜二氧化碳探測儀來檢測大氣中的二氧化碳濃度，中科院長春光機所研究員鄭玉權解釋說，光在大氣中傳播時會被大氣部分吸收，利用空氣中氣體分子的窄帶吸收特性可鑒別氣體成分，并根據(jù)窄帶吸收強度推演出痕量氣體的濃度。高光譜二氧化碳探測儀主要用于精準測量大氣的吸收譜線，再通過地面應用系統(tǒng)一整套復雜的反演過程計算大氣中的二氧化碳的總量，進而知道各個地區(qū)的碳排放情況。

“二氧化碳探測儀是一種高精度定量測量儀，其對核心技術攻關和工程化研制的要求都非常高。”鄭玉權說。

2010年，科技部設立了“全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星與應用示范”重大項目，打算發(fā)射一顆搭載兩臺有效載荷的碳衛(wèi)星，并在全國范圍內公開招標。中科院長春光機所在兩臺載荷的分開招標中競標成功。

“當時，我們提出將兩臺載荷進行一體化設計，以集約衛(wèi)星上寶貴的重量、功耗等資源。兩臺載荷在實際設計研制中也實現(xiàn)了結構和電控一體化?！编嵱駲嗾f。

該所助理研究員藺超介紹說，這臺高光譜二氧化碳探測儀性能指標要求特別高，尤其表現(xiàn)在光譜分辨率上，其最高光譜分辨率要優(yōu)于0.04個納米。

根據(jù)要求，這臺儀器要具備3個譜段，每個譜段分別是20、30、40個納米的帶寬，再在里面進行采樣最終形成譜線。其中有很多核心元器件制造和集成的技術難題需要克服。“這些核心元器件需要我們所自己研發(fā)制造，此外技術攻關和儀器工程化設計也要同時進行，這對我們是巨大的考驗。”藺超說。

鄭玉權表示，這臺儀器研發(fā)中的一個關鍵技術攻關是大口徑高精度衍射光柵制造。高光譜二氧化碳探測儀使用的衍射光柵同時要求大口徑、高面型精度和高衍射效率，這在國內尚屬首次研制，經(jīng)過一年半的研發(fā)，科研人員研發(fā)出以碳化硅材料為基底的大口徑衍射光柵。

此外，高可靠性長壽命指向反射鏡的制造技術也十分關鍵。藺超表示，該指向鏡須一鏡兩用，正反面均需要光學加工，一面是反射鏡，另外一面是漫反射面，兩面的加工不能相互干擾，也不能太厚，而且要可靈活轉動。這個工藝也非常難，但科研人員最終還是如期攻克了難關。

去年12月下旬，兩臺載荷正樣順利完成熱真空環(huán)境試驗。定標團隊成員正在對其進行光譜定標和輻射定標工作。工作按計劃要在半月內完成，并在春節(jié)期間運往衛(wèi)星總體單位上海微小衛(wèi)星工程中心進行整星試驗測試。

記者注意到，已經(jīng)完成研制的載荷被裝在特殊設計的真空、低溫的罐子內進行?！拔覀兺耆M衛(wèi)星在太空運行時的環(huán)境，來對儀器進行定標。”藺超說。

實驗室里可以看到墻角的折疊床。在過去5年間，這支平均年齡約32歲的團隊曾經(jīng)無數(shù)次地在這些折疊床上度過漫漫長夜。

“在接到這項任務時，我們的研究人員基本是二十七八歲，到現(xiàn)在任務接近結束時每個人都邁過了30歲的門檻?！碧A超感慨說。為了早日完成研制，這支30余人的團隊克服了很多困難。

在高光譜二氧化碳探測儀研發(fā)進行到一半時，他們發(fā)現(xiàn)儀器有兩個1.6微米和2.0微米的近紅外通道，所用的紅外探測器對溫度干擾十分敏感。如果儀器內部溫度超過一定標準，就會干擾信號，這對溫控技術提出了很高要求，科研人員為此反復修改方案。同時，在完成技術攻關后，由于載荷上有40多片光學元器件，給儀器裝調帶來很大壓力。

“為了保證溫控環(huán)境，我們的儀器裝調工作都在一個特殊的低溫工作箱內進行?！碧A超說，當時正值夏季，科研人員卻穿著羽絨服鉆進零下5攝氏度左右的工作箱內進行元器件安裝。

碳衛(wèi)星載荷有著極為重要的意義，通俗地說，有了它們，就可以從太空檢測全世界所有國家的溫室氣體排放。這不僅可以評估各個國家是否履行減排承諾，還有助于更快、更高效地發(fā)現(xiàn)溫室氣體的排放源。

“從碳衛(wèi)星的短期目標來看，發(fā)射成功后，我們完全可以給出全世界全年碳分布數(shù)據(jù)，也可以解釋發(fā)達國家、不發(fā)達國家各自的碳貢獻。特別是對中國來說，我們可以對全國各個省份、各個城市的碳排放量有詳細的檢測和分析，能夠清楚知道哪個省份哪個區(qū)域有更多碳排放?！碧A超說。

但碳衛(wèi)星的發(fā)射還有更為重大的科學目標和意義?？茖W家寄望，通過它發(fā)現(xiàn)全球的碳分布情況，找到二氧化碳的流動規(guī)律?！澳壳?，科學界對二氧化碳的產(chǎn)生和沉降過程還需要大尺度的全球觀測數(shù)據(jù)作進一步研究，我們寄望能夠解決這一根本的科學目標?！保ㄓ浾?彭科峰）