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20190304陕西日报:让世界看到五星红旗在月球上闪耀

——西安光机所嫦娥四号全景相机研制团队的故事

时间:2019-03-05  来源:文本大小:【 |  | 】  【打印
    本报记者 霍强
 

  2月20日,习近平总书记在北京人民大会堂会见探月工程嫦娥四号任务参研参试人员代表,中国科学院西安光学精密机械研究所(以下简称西安光机所)嫦娥四号全景相机研制团队负责人杨建峰研究员接受了会见。 

  “探索浩瀚宇宙是全人类的共同梦想,国家的支持让我们这些‘航天人’在追梦的路上干劲十足。”杨建峰告诉记者。

  时间回到1月3日10时26分,嫦娥四号探测器实现了人类首次月球背面软着陆,开展月球背面就位探测及巡视探测。

  1月11日下午,着陆器与玉兔二号巡视器在月球背面开展工作,顺利完成互拍。

  1月11日16时47分,北京航天飞行控制中心大屏幕上呈现出着陆器和巡视器的互拍影像图。西安光机所研制的全景相机,让全世界看到了鲜艳的五星红旗随中国制造的探测器在月球背面闪耀,也让人类首次清晰地看到了月背的地形地貌。

 

  攻关 从10千克到650克 

 

  “嫦娥四号全景相机肩负着巡视区月表的三维光学成像重任,这将用于巡视区地形地貌研究。”杨建峰说,“我们把两台一模一样的相机安装在玉兔二号巡视器的桅杆上,两个相机之间的距离是270毫米,就像是人的两个眼睛一样,通过类似人眼‘双目立体视觉’原理,实现对巡视区月面的立体成像。” 

  全景相机圆满完成了科学实验任务。成功的背后,是研发团队付出的艰苦努力和攻克的一个个技术难关:深空探测对相机重量的苛刻要求,月球环境和辐射对画质的影响,自动曝光功能对操作软件的高标准要求等等。 

  进行深空探测,仪器的重量越轻越好。 

  “我们研制的嫦娥一号CCD立体相机重量是10千克,对于嫦娥四号全景相机,我们自己定的目标是减到2千克。”杨建峰说。 

  但是综合考虑巡视器上所有载荷要求,上级部门希望继续减重! 

  于是,从相机材质到设计理念,杨建峰和他的团队开始了一次次的技术攻关。 

  材质方面,从钢到铝,再到特殊的钛合金;设计理念上,结合嫦娥一号到三号的实际经验,团队严格模仿了月球探测的实验环境,进行工程分析,力争做到极致。 

  功夫不负有心人。团队把相机的重量研究降到了“克”的量级。最终,嫦娥四号全景相机的总重量只有650克,达到了世界先进水平。相机结构件最薄的地方只有1毫米,同时还能适应月球空间环境的冲击。 

  除了相机重量难题,如何提高照片质量,也是团队攻关的重要课题。 

  “月球上的空间离子辐射、应力释放对成像会有影响。为了保证画质,我们进行了反复试验,研发出了防辐射镜头,加装在全景相机上。”杨建峰说。 

  全新的镜头组合,实现了从巡视器脚下到月球边际无穷远的清晰成像,也能承担3个月的科学实验工作要求。杨建峰告诉记者,全景相机在近距离观测时能够实现毫米量级的空间分辨率,“它拍摄的图像对巡视器的运动起到了辅助导航作用。” 

 

  实验 以月球时间为令  

 

  “每当月昼时,着陆器与玉兔二号巡视器就开始进行科学探测任务。一个月昼相当于地球上14天左右的时间,这时,我们就以月球时间为令,开展工作。”全景相机研制团队软件系统高级工程师吕宝刚说。  

  每天1时到5时,当大多数人进入梦乡,团队成员们却正在紧张地工作。照片储存需要1—2小时,回传地面同样需要1—2小时。这个过程中,地面人员都要进行监测与操作,数据有效下传后,还要及时进行处理。  

  登陆月球后的科学实验是以月球时间为基准,日常的准备工作也不例外。“月球表面温度变化幅度非常大,白天最高能达到100摄氏度,晚上最低能降到零下180摄氏度。为了确保相机能够稳定工作,我们需要模拟月球环境进行热循环实验。”团队光学系统高级工程师马小龙说。  

  团队把全景相机放入专门研制的高低温箱,完全模拟月球环境进行性能稳定性实验。“每次实验持续14天左右,正好是月昼和月夜的时长,大家不分黑夜白天,进行观测实验。”马小龙说。  

  研制团队就是这样埋头苦干,默默奉献着。去年8月,全景相机自动曝光算法实验进入了关键阶段。由于玉兔二号巡视器留在一个探测点的时间有限,如何提高自动曝光效率、实现自动化,成了团队的攻关目标。这正是吕宝刚和团队光学系统成员们最忙碌的时候。  

  “一天早上5点多,我起床去单位。这时,6个多月的儿子从床上摔了下去,头上鼓起一个包。由于实验任务实在紧张,我只好让妻子带孩子去了医院,自己还是赶往了单位。”初为人父的吕宝刚十分内疚,“最感谢家人的理解与支持。”  

 

  追梦 太空探索永无止境  

 

  航天路上,西安光机所全景相机研制团队一直在追梦、在奋斗。  

  自探月工程一期以来,团队先后承担了嫦娥一号CCD立体相机和干涉成像光谱仪、嫦娥二号CCD立体相机、嫦娥三号全景相机和月基光学望远镜、嫦娥四号全景相机等有效载荷的研制工作,各项工程任务和科学目标圆满完成。  

  团队结构系统高级工程师李福参与了历代相机的研发工作,他说:“细节决定成败,‘航天人’严、慎、细、实的精神至关重要。”  

  “嫦娥四号全景相机研制时,如何获得散热面和基频的最优组合结果,是我们面临的一个难题。”李福说,全景相机装在玉兔二号巡视器的桅杆上,所以不能使用传统的热管进行散热,必须依靠自身进行散热,但是散热面又不能太大,这会影响相机基频,“相机的基频必须大于100赫兹,因为要避开卫星频率,避免共振。”  

  分析、计算、数字仿真,两个月的加班加点,李福和同事们进行了数百次的实验,不断优化组合,最终得到了最优结果。  

  年轻的光学系统工程师吕娟是团队里的幸运儿。由于承担了相机的装配调试任务,她有幸在西昌卫星发射中心亲眼见证了嫦娥四号的发射。吕娟说:“嫦娥四号发射时,场面十分震撼,我忍着没哭。但是看到全景相机拍摄的着陆器彩色照片时,我流泪了。这是幸福的眼泪,是我们团队奋斗的成果。”  

  “太空探索永无止境。我们目前正在进行嫦娥五号全景相机、嫦娥六号全景相机的研发工作,并承担着我国首次火星探测工程着陆巡视器多光谱相机的研制任务。新时代,正是我们‘航天人’奋斗的好时代。”杨建峰如是说。  

     

记者手记      

 新时代是奋斗者的时代

  习近平总书记在会见探月工程嫦娥四号任务参研参试人员代表时强调,实践告诉我们,伟大事业都成于实干。新时代是奋斗者的时代。新时代是在奋斗中成就伟业、造就人才的时代。 

  记者在采访西安光机所嫦娥四号全景相机研制团队的过程中,最大的感触正是团队成员低调、实干的品质。 

  面对记者关于研制过程中有什么困难的提问,杨建峰研究员说,他从1999年开始涉及探月工程这一领域,到现在已经整整20年。国家对探月工程的高度重视和支持是对团队士气最大的鼓舞,他们一定会攻克各种难题,不负厚望,力争更大的突破。 

  李福、马小龙、吕宝刚、吕娟等人也是如此。马小龙说:“以前实验条件差,有时候需要借用其他单位的实验室,还要掏500块钱的费用。现在所里条件好了,我们会更加珍惜机会,做好研发工作。” 

  吕宝刚介绍,他2014年研究生毕业来到所里,一来就担任了团队软件系统的技术负责人,5年内两次破格评了职称。“我热爱这项事业,也会继续努力,干好自己的工作。”吕宝刚说。 

  新时代是奋斗者的时代。有这样一批心怀梦想、勇于创新、埋头实干的科研工作者,我国的探月工程总目标一定能早日实现。 

     

新闻链接  

  “扫描”嫦娥四号全景相机   

  月球探测工程属于国家重大工程项目。嫦娥四号任务实施了两次发射:2018年5月21日,发射“鹊桥”号中继星;由“玉兔二号”巡视器和着陆器组成的嫦娥四号探测器于2018年12月8日从西昌卫星发射中心升空,2019年1月3日顺利在月球背面预选区着陆,由多个国家和国际组织参与的科学探测任务陆续展开。  

  嫦娥四号任务的圆满成功,在人类历史上首次实现了航天器在月球背面软着陆和巡视勘察,首次实现了地球与月球背面的测控通信,在月球背面留下了世界探月史上的第一行足迹,揭开了古老月背的神秘面纱,开启了人类探索宇宙奥秘的新篇章。  

  西安光机所针对国家探月工程及深空探测的科学布局,以长期参与我国探月工程的骨干力量为班底,成立了月球与深空探测技术研究室。  

  自探月工程一期以来,该研究室团队圆满完成了多项工程任务和科学目标。嫦娥一号CCD立体相机为我国获取了首幅地面分辨率为120米的全月立体图,图像清晰、层次丰富,为当时国际上最完整的全月面图像;嫦娥一号干涉成像光谱仪获得了84%月表面积的清晰多光谱图像,科学家们用该原始数据,成功反演了月表主要矿物分布和铝、镁、钛等元素的含量。  

  嫦娥二号CCD立体相机为我国获取了首幅分辨率优于7米的全月图及月面虹湾地区1.3米分辨率图像,为嫦娥三号落月探测勘察了“落脚点”。  

  搭载于玉兔号巡视器上的嫦娥三号全景相机实现了我国首次月表实地高分辨率立体成像,获得了大量科学数据用于月表地形地貌研究,同时获得了着陆器清晰鲜艳的彩色照片,为标志嫦娥三号任务圆满成功的两器互拍提供了保证;月基光学望远镜实现了人类首次月基天文观测,从月面着陆到现在,共发回数万张从月面获得的星图,是嫦娥三号获得有效数据最多的载荷,也是唯一还在工作的载荷。  

  嫦娥四号探测器全景相机是该探测器的重要载荷之一,由两台一模一样的相机组成,安装在巡视器桅杆上。通过类似人眼的“双目立体视觉”原理,这对相机可以实现对目标的立体成像,依靠桅杆的左右旋转和上下俯仰,实现大视场和上下大范围的全景探测,再通过图像拼接及立体反演,可得到巡视区的全景立体图像。 

 

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