玉兔号“相机”减重:从上百公斤瘦到5公斤

玉兔号“相机”减重:从上百公斤瘦到5公斤

资料图:中国玉兔号月球车

“玉兔号”全景相机:能拍照的眼睛截图

“玉兔号”全景相机:能拍照的眼睛

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中新网1月6日电 题:让“中国激光”遨游太空

人物:王建宇,著名空间光电载荷专家

梦想:让国产激光探测设备遨游太空,实现中国的航天梦

今年年底,嫦娥三号将择机发射。每当听到与嫦娥相关的消息,王建宇心里就会泛起一阵波澜——嫦娥三号所搭载的科学仪器中,有好几样出自他的研究团队:激光测距仪和激光三维成像仪,将搭载在嫦娥三号的着陆器上,帮月球车在月面上找到落脚点;红外成像光谱仪,将搭载在嫦娥三号的月球车上,完成科学探测任务。

作为我国著名的空间光电载荷专家,王建宇曾带领一个年轻的科研团队,研发出了激光高度计,搭载在嫦娥一号上,实现了中国人首次“为月球量身高”的梦想。2015年前后,我国将发射首颗量子科学实验卫星,上面将搭载星地量子通信设备,还是由他率队研制。

王建宇说,自己的梦想就是做出国家需要、却看似不可能的光电设备,让它们遨游太空,实现中国的航天梦。

月球“照相机”瘦身到5公斤

安装在嫦娥三号月球车“腹部”的红外成像光谱仪,就像一只敏锐的眼睛,将仔细察看月面的矿物组成——这可是王建宇的最新成果。它原先搭载在飞机上,“体重”超过100公斤,显然不适合上天。为此,王建宇带领团队绞尽脑汁,将它“瘦身”到5公斤左右,可以稳稳当当地装入一尺见方的盒子内,并采用了一系列创新技术,使它“目光”敏锐。现在,王建宇就期盼着月球车上的红外成像光谱仪能带回合格的图像。

激光测距仪和激光三维成像仪则将承担起帮月球车寻找“落脚点”的重任——当月球车离着陆点只有几十公里时,它们将及时打开,以小于1米的精度,实时测量降落高度,其研制难度超过了嫦娥一号上的激光高度计。

2003年,时任中国探月工程首席科学家的欧阳自远院士找到中科院上海技术物理所,提出研制激光高度计的要求。回想起当时情形,王建宇说他感到了从未有过的压力:大功率激光上天,国内从来没做过!

这除了要克服真空、失重、高压等困难,激光高度计还要能在200公里外,抓住月面反射回来的微弱激光信号,这就好比要不偏不倚地捕捉一大幅画面中的一个光点。同时,上天的设备就怕能量大,可高度计的激光器瞬时功率高达30兆瓦。在地面上,这个功率能把几米开外的铁板打得直冒火花。

这一强一弱之间,包含着无数难题。经过三年多攻关,王建宇团队终于交出了令人满意的答卷。与此同时,一支年轻的团队也逐步成长起来。此次随嫦娥三号上天的两个激光仪器就是由当年激光高度计团队带出来的年轻博士黄庚华领衔研制的。

扣着理论极限抓光子

开创了国内“激光上天”的先例后,王建宇又开拓起新方向:将量子通信实验搬到卫星上。五年前,他与量子科学家、中国科技大学的潘建伟院士开始了一项挑战性合作——他们将一起验证空间大尺度的“量子纠缠”现象。

量子有一种奇特的“心灵感应”,它们无论相隔多远,只要其中一个改变状态,另一个也会同步变化。不过,光速太快,科学家怎知它们的改变是同步还是有先后?最好的办法就是让它们隔得足够远:一个在太空中,一个在地面上,光也要跑上几毫秒才能到。

“量子通讯的本质是极弱的激光通信。”王建宇这次要啃的“硬骨头”是从太空中发出极其微弱的激光,再在地面上一个光子一个光子地接收下来,几乎所有的参数都扣着理论极限。

另一个更大的难题,是星地超高精度的对准。要发射、接收如此微弱的光学信号,对仪器的要求本已很高,更何况发射装置装载在高速运行卫星上,天地两个装置要对准收发信号,真好比“针尖对麦芒”——它们对准的角度偏差不可超过0.7角秒,相当于不到1度的万分之二。为了验证可行性,研究团队让设备在高速公路上飞驰、乘着热气球漂浮,直到保证万无一失。

尽管量子科学卫星尚未上天,但星地量子通讯设备一边研制,一边在青海湖做实验,联合团队合作的论文已多次登上《自然》、《自然•光子学》等国际学术刊物,开创了多个“世界第一”。

棘手问题总能及时“排险”

辽阔的青海湖边,年轻的科研人员每年坚守几个月进行实验。虽然王建宇不用每天值守在青海湖边,但他肩头的担子却很重。“老马识途”这四个字,最能说明他的作用。他手下的人说,不管出了多棘手的问题,王老师总能很快找到解决办法,一般尝试不会超过三次。

在研发嫦娥一号激光高度计时,关键设备激光器在做真空实验时,突然发现能量衰减很快,寿命只有半小时,而此时离产品交付只剩半年多。他们和中科院上海光机所的同事一起,一项项排查原因,终于找到了解决办法——为激光器“穿”上了一件特制的“太空服”,成功将其寿命延长到了一年以上。

从抓激光,到抓光子,王建宇所接受的挑战越来越艰难,不过他却乐在其中:今后我国探测小行星、探测火星,还会有更多挑战出现。带出一支在空间激光设备研制上有积累的队伍,让光子载着中国的航天梦遨游于太空,王建宇说,这就是他此生的梦想。(许琦敏)

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[责任编辑:akading]

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