【中國夢·踐行者】總設計師艾長春：“悟空”火眼正看到宇宙新貌
大洋網訊 中國科學衛星系列首發星——暗物質粒子探測衛星“悟空”發射升空已有兩年零3個月。“悟空”是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量解析度最高的暗物質粒子探測衛星,超過國際上同類探測器,作為我國的重大科技攻關項目,還被寫進了去年的黨的十九大報告。
運作兩年多來,“悟空”共搜尋出100多個異常電子,首次直接測量了電子宇宙射線的一處劇烈波動。這一神秘訊號,讓暗物質研究更進一步。暗物質粒子探測衛星工程(“悟空”)總設計師艾長春從事航太事業已有50餘年,他也是中國航太事業輝煌60年的見證者和參與者。近日,他向記者講述了“悟空”背後的故事。
今年76歲的艾長春滿頭銀發,精神矍鑠,走起路來比小夥子還要快。儘管悟空號在軌運作已經有兩年多時間,但作為工程總師的艾長春卻極少出現在媒體視線中,他一直出奇地低調。即便就“悟空”的科研成果舉行發佈會,更多出現在鏡頭前的也是“悟空”首席科學家常進。
“悟空”飛天兩年依然100分
艾長春常挂在嘴邊的一句話是,要把更多機會留給年輕人。常進比他小20多歲,算是“年輕人”。在“悟空”研製過程中,兩人合作非常融洽,各司其職。“他精力旺盛,有闖勁和創新精神,我要多向他學習,支援他的工作。”艾長春說,他從項目一開始就建議,暗物質探測衛星“兩總”要定期與首席科學家溝通,讓首席科學家有更大的發言權。
“悟空飛天‘取經’這兩年,我做的工作很少,因為衛星在軌運作狀態很好。”艾成春笑著說。2016年3月,“悟空”飛天3個月後,中科院國家空間科學中心組織專家對衛星進行在軌測試總結評審,當時給出的指標評定為“100分”。如今,悟空號在軌兩年多,探測器性能依然是100分的狀態。
悟空號可以對5GeV到10TeV之間的電子、伽馬射線實現“經濟適用型”觀測。如何理解?1GeV是10億電子伏特,1TeV是1000GeV,即1萬億電子伏特。拿人眼來做類比,後者所能接收到最敏感的可見光能量,僅僅為2電子伏特。悟空號平均每秒就能“捕捉”60個高能粒子,相當於平均每天500萬個高能粒子。而中國的暗物質粒子探測衛星的成本遠遠低於國際上同類探測器。
我國成功發射暗物質粒子探測衛星“悟空”號。(CFP供圖)
“再重的擔子也要扛下”
1960年,年滿18周歲的艾長春剛在鄭州市回民中學讀完高中二年級,就被一所軍事技術學校特招為第一批學員。他起初被告知要支援西部邊疆,然而卻在1961年被安排到航太機關當參謀。
在機關工作沒空讀書,艾長春就報了北京航空學院夜校,白天工作、晚上學習,用4年時間學習了電子技術專業的大學課程。後來,他所學的這些課程終於發揮了作用。從1970年發射第一顆東方紅衛星,到1975年發射第一顆返回式衛星,到1980年發射氣象衛星,他基本上都參與過這些衛星發射的相關工作。
艾長春一輩子都在幹航太事業。在擔綱“悟空”工程總師之前,他曾擔任過兩顆衛星的工程總師。而與“悟空”結緣,則純屬巧合。他說,在“悟空”發射之前,我國未曾發射一顆空間科學衛星。
即便在航太領域摸爬滾打了40餘年,2011年,當中科院邀請他出任暗物質粒子探測衛星工程總師時,他還是很忐忑,心裏一點底也沒有,因為這顆衛星帶有太多“第一次”:中科院第一次主持衛星大工程,微小衛星工程中心第一次承擔超過1000公斤的衛星研製;國內第一次研製以載荷為中心的一體化結構的衛星。
而更大的壓力則在於,一旦接受這個任務,就只能成功,不能失敗。在接觸悟空號之前,艾長春主要從事應用衛星的研製。而像“悟空”號這樣的科學衛星,從事的是空間科學研究,屬基礎科學研究範疇,就是要搶佔第一科學發現,科學發現只有第一,沒有第二。
也就是說,如果你沒有世界公認的科研成果產出,任務就算失敗了。“大家都在做同一件事,你沒有在第一時間得到世界認可的科學發現,那麼你過去所有的努力基本上都是沒有意義的。”
思考了一段時間,他決定扛下這副重擔。“再重的擔子也要扛下。雖然壓力巨大,但我有責任擔起這個擔子,它承載著幾代航太人的夢想。”
從業50年來最棘手的項目
“悟空”是中科院空間科學戰略先導專項的五顆衛星任務之一,它由一個塑閃陣列探測器(PSD)、硅陣列探測器(STK)、電磁量能器(BGO)和中子探測器組成。
“悟空”通過探測高能宇宙射線粒子,包括各種元素的原子核、電子、伽馬射線等粒子,來尋找暗物質湮滅或衰變後留下的蛛絲馬跡。“悟空”升空以來,每天繞地球飛行15圈,平均每秒鐘獲得60個高能粒子,每天獲得500萬個高能粒子,至今已探測到探查40億個宇宙高能粒子。
其實,早在13年前,艾長春還沒接手暗物質探測衛星的擔子時,他的搭檔,彼時擔任中科院紫金山天文臺副臺長的常進便開始研究如何“捕獲”暗物質。
那是2005年,中美聯合在南極進行了一場空間探測實驗。在當時的實驗中,常進所使用的探測器發現了一個奇怪的現象:有一個能量段,大家都認為其計數率應該“下降”,但結果卻顯示為“超出”,也就是不降反增了。
當時,常進就心想,這是不是跟暗物質有關?他有了一個想法:如果能做一個大型探測器放到衛星上,就能確定這些奇怪的東西是不是暗物質湮滅產生的高能粒子。
當擔子真正落在肩上時,艾長春才感到任務的艱巨。他毫不諱言,這是他從事航太事業50年來最棘手的項目。
在擔任總工程師的頭一年,艾長春幾乎沒有睡過一個好覺。他把所有載荷研製單位走了一遍。中科院上海微小衛星中心之前沒有做過超一噸重的衛星,艾長春就培養隊伍,邀請擔任繞月探測工程、嫦娥一號衛星系統總指揮兼總設計師的葉培建院士開設工程技術骨幹培訓班,提高工程師隊伍水準。
“BGO”的晶體量能器是悟空號身上最核心和最重的部分。在項目論證階段,有專家提出,這個能量器太重了,能不能換個輕一點的。艾長春的團隊態度堅決,必須要用重一點的,這樣才有可能趕在外國人之前發現暗物質。“科學發現有時就是要搶機會,你落在別人後面發現的東西,可能你之前的努力都白費了。”
艾長春(左一)和常進(右二)在任務大廳討論。
每次“拍板”都捏一把汗
“悟空”是一個系統工程,每一步都需要工程總師“拍板”。每一次“拍板”,艾長春都承擔著常人難以想像的壓力。
在“悟空”出廠前,艾長春就遇到了一個挑戰。“悟空”包含73728個精密的硅微條探測單元,每路硅微條只有一根頭髮絲粗細,並且不能裝錯。“悟空”出廠時,有337個硅微條探測單元失效,佔總數的0.46%。雖然技術上要求在失效率低於2%就可以出廠,但工程人員擔心,接下來會不會有更多的探測單元失效?那樣的話可就達不到出廠要求。
“當時我面臨抉擇,簽字,就意味著要負責任。當時已經快到10月份了,距離衛星發射只有兩個月時間。”艾長春揮舞著雙手,似乎回到了那段激情燃燒的歲月。
他和常進商量後,常進認為,天上的環境條件要比地上好,失效的單元有可能會恢復。排查硅探測器會拖慢發射進度。艾長春最終在文件上簽字,決定衛星出廠,運往發射基地,照常發射。
果然,在“悟空”發射3個月後,硅陣列探測器的失效探測單元降到118個,有219個恢復正常,印證了常進的判斷。常進至今回憶起這一幕仍對艾長春深表敬佩。“艾總真是敢負責任、敢擔當。如果當時停下來排查硅探測器,不光可能產生新的問題,衛星的發射也至少要延期4個月。”
考驗還未結束。2015年12月,酒泉衛星發射基地,“悟空”在距離發射不到兩個星期時的聯合測試中又出現一些小故障,衛星能否按計劃發射需要慎重決策。最終,在綜合各方意見評判後,艾長春拿定主意,同意火箭仍然在12月17日發射。
這種重大決斷,艾長春並不是頭一回遇到。“發現問題不可怕,把問題解決在火箭點火之前就好。”艾長春說,那段時間真是操碎了心,吃飯、睡覺、走路都在想“悟空”,甚至做夢都在想“悟空”。因為壓力太大,他曾經連續3天沒有睡覺。
2015年12月17日,當“悟空”發射成功時,熱淚盈眶的艾長春和常進擁抱在一起,這對老戰友4年多沒日沒夜工作,付出總算沒有白費。“悟空的成功發射,艾總起到非常重要的作用,他利用多年的航太組織和建設經驗為‘悟空’工程提供了主要的頂層設計,協調各大系統,確保了工程的成功。”常進說。
第二批科研成果年底出爐
回憶起“悟空”從開始研發到現在7年多經歷,艾長春將成功經驗總結為20個字——擔當服務、著眼大局、抓住關鍵、綜合平行、協調發展。“工程總師在面對工程的重大問題時要勇於承擔責任。”在採訪中,艾長春反覆強調著這句話,回憶起悟空研製過程中的種種曲折與艱險,他感慨萬千。
艾長春回憶說,當初設計暗物質衛星曾經有兩個方案,一個方案是將1415公斤的探測器放在一個現成的衛星上面,衛星的總重將超過3噸,換用更大型號火箭發射,費用就要增加6000萬元;另一個是以載荷為中心設計方案,僅增加400多千克就可實現完整的衛星功能,使得載荷與整星的品質比達到了73%。
“以前中國科學家只能將研製的儀器搭載在其他衛星上開展空間科學研究。以載荷作為主體,熱控件、電源、結構件等服務系統圍繞載荷進行設計,這是我國衛星第一次採用此種設計,這種設計在世界上也是罕見的。”艾長春說。
如今,“悟空”已在軌飛行兩年多時間,衛星工作十分穩定,數據品質優異。去年底,暗物質粒子探測衛星的成果在《自然》雜誌發表,讓艾長春倍感欣慰。科研人員成功獲得了目前世界上最精確的高能電子宇宙線能譜,引起了學術界的高度關注。
“悟空”衛星獲取的數據還可以廣泛地用於宇宙射線和高能天體物理的研究,為人類理解宇宙中極端條件天體和激烈活動現象等提供幫助。借助“悟空”的“火眼金睛”,我們可以看到宇宙的新面貌。“團隊這麼多年的辛勤付出總算沒有白費,但還不能鬆口氣,硬仗還在後面。”
新的一年,艾長春的團隊又為“悟空”定下全新的“小目標”:新的一年,衛星在繼續積累高能電子、伽馬射線探測數量的同時,會把收集和分析重點放到50TeV以上的超高能宇宙線粒子上來,力求儘快解開宇宙中的粒子加速之謎。“悟空”第二批成果預計今年年底出爐,艾長春和他的夥伴們對此也充滿期待。
文/廣報全媒體記者肖歡歡 圖/國家空間科學中心提供
