记王建宇研究员:做实现“科学梦想”的工程总师
比起搞基础研究的科学家,中国科学院上海技术物理所(以下简称上海技物所)研究员王建宇觉得自己更像一个科学工程师。科学家的任务是发现一个个科学原理,而他的目标是通过攻克一个个前沿技术难题,把科学家的一个个梦想变成现实。
"做自己喜欢做的事,让中国的光电设备遨游太空,做一个实现科学梦想的工程总师。"这是王建宇常说的话,也是他的奋斗目标。
给"嫦娥一号"装上"激光"眼
2007年11月28日,中国首颗探月卫星嫦娥一号携带的星载激光高度仪在距离月球表面200公里的绕月轨道上发出第一束激光,并在月球表面踩下第一个"脚印"。这标志着中国人也能用自己的技术绘制立体月球图了。
这个激光高度仪是王建宇和他带领的科研团队历时三载研制而成的创新成果,"嫦娥"就是靠这副"探月激光眼"来探查月球的地形地貌。
"用它从卫星上打出一束激光,通过测量激光折返跑的时间和角度,就能计算出月面某一点的相对高度,从而获得月球地面特征的信息。"近日,王建宇在接受《中国科学报》采访时解释说,"激光眼"与卫星所载的CCD立体相机相配合,能得到更加精准的全月立体图像。而在不具备拍摄光照条件的月球背面,它更有用武之地。
然而,让这个身高17厘米、体重15.7公斤的"小家伙"在太空工作却并非易事。此前,由于我国的激光器从未上过天,缺乏相关研制经验,等待王建宇的是一系列技术难题。除了要让激光高度计准确地抓住200公里外月面反射回来的微弱激光信号,他们还要克服太空中真空失重、温差剧变、高压、大能量等问题,这些无一不是"拦路虎"。
"尤其在研制后期,激光器一进入真空,半个小时就坏掉了,当时那简直是激光高度计的‘致命伤’。"回想起当初的情景,王建宇仍历历在目。 为了按时保质完成任务,他与合作伙伴中科院上海光机所研究人员探索激光器的保护,提高空间激光器的可靠性;与中科院半导体所研究人员携手,探讨常规半导体激光二极管如何更好地在空间应用。
功夫不负有心人,他们终于克服瓶颈,为激光器穿上了一件特制的"太空服",成功地将它的寿命提高到1年以上,按时完成正样产品。
上天后,激光高度计几乎每隔一秒就向月面发射一束激光,"激光足印"的密度每平方公里达到0.87个点,它不断传回包括月球南北极在内的高程数据,填补了国际探月数据的空白。
激光高度计的研制成功使国内空间激光遥感技术取得重大突破。"十一五"、"十二五"期间,一批与空间激光技术有关的科研项目得到立项,应用于多个国家空间工程任务中。
而对于王建宇来说,让他自豪的不仅是天上的研究成果,还有这个过程中成长起来的一支有能力自主创新的队伍,因为"这些才是金钱难以衡量的"。
让探月车拥有"智能眼"
在今年下半年有望"落月"的"嫦娥三号"巡逻器上,上海技物所有3个载荷,分别是激光高度计、激光三维成像仪和红外成像光谱仪。王建宇把改进激光高度计的实践机会给了年轻人。"我让开了,他们就锻炼出来了。"他说。
而他自己又开始了新的挑战。这次他的任务是给探月车做"眼睛",也就是红外成像光谱仪。这个"眼睛"可以让月球车通过高光谱分辨率获取月球物体高光谱图像,为精确识别月球表面的特征信息和物质分类提供服务。
说起来,这项任务倒是与王建宇的研究方向比较接近。此前,他已经在国际上率先提出多维精细超光谱遥感成像探测技术和系列解决方法,实现了把超光谱成像的高光谱分辨率、高空间分辨率、高时间分辨率集成化。
然而,由于航天设备要"斤斤计较",红外成像光谱仪的"减肥"任务十分艰巨。要把原来装在飞机上的重达100公斤的"大块头"变成5公斤左右的"小家伙",安装在0.6米高的月球车上,王建宇的挑战又来了。
经过思索,他想到了用一块方糖大小的LTF晶体来进行波长选择和多光谱成像。"当电能量加在晶体两端时,晶体内部的原子会根据声波的强度重新排列,相当于是可变参数的光栅,让红外成像光谱仪‘看到’从可见光到2.5微米红外光之间的光谱。"他解释说。
原理有了,然而研究晶体并不是王建宇的强项。他找到了中电26所研制以LTF为核心的分光器件,在双方联合攻关下,终于突破技术难题,研制成的"声光可调谐滤波器"相关技术指标达到国际一流。现在,王建宇正在期盼月球车的红外成像光谱仪能带回优质图像。
把"量子通信"搬上卫星
安全性是量子通讯的拿手好戏,也是目前国际上的研究热点。然而,超远距离乃至卫星和地面的量子通信和量子力学的基本问题检验在国际上却一直是个难题。
今年6月《自然—光子学》中一篇文章再次引起全球关注,王建宇等人用自主研发的星地量子通信样机进行的一系列实验再次验证了星地量子通信的可行性,为未来实现基于星地量子通信的全球化量子网络再添助力。
从原理上说,由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时损耗比地面小得多,如果能够在技术上实现在卫星上产生光子,再穿透大气层后仍然存活并保持其量子特性,人们就可以在卫星的帮助下实现全球化量子通信。
事实上,由中科院院士、项目首席科学家潘建伟提出的量子通讯卫星计划的攻关工作,早在2008年就被列为中科院重大创新项目,王建宇出任该项目的总工程师,开始和潘建伟合作进行攻关实验。2011年量子科学卫星工程正式列入空间科学卫星战略性先导专项。
在2008年至2011年期间,中国科技大学、中科院上海技物所、中科院光电研究所、上海小卫星工程中心和中科院上海光机所的科学家们携手攻关,在我国的辽阔的青海湖畔,开展了一系列验证实验,首次证明量子通信卫星在技术上可行性。
预计,我国将在2015年前后发射全球首颗量子通讯卫星。目前,相关研制工作正在紧锣密鼓地进行中。
"细节决定成败。从设计、生产、实验到交付、应用,每一环节都不能马虎,否则一环出错,结果就是整体失败。"王建宇说。他希望与整个团队全力以赴,把好每道关,让世界早一天看到中国的量子通讯卫星。
其实,作为中科院上海分院领导之一的他完全可以离开科研一线,但王建宇却从未想过放开老本行。"这才是我真正喜欢做的事,不让我做,我会难受的。"他笑言。
