大學生造衛星 一場800萬元的試驗

2月27日之後,武漢大學遙感信息工程學院的學生,感覺自己有了新“身份”。當天,在海南文昌航天發射場,長征八號遙二運載火箭成功將22顆衛星發射升空,創下我國一箭多星的紀錄。其中的“啟明星一號”衛星是由武漢大學牽頭,是以50多名武漢大學、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所(以下簡稱長春光機所)、哈爾濱工業大學學生為主體研製的。

以前,面對家人“遙感學的啥”這樣的問題時,這群珞珈山下的學子不知如何更好地回答。這一次,他們有了答案,“就說是造衛星的”。

這顆重量只有19.2公斤的衛星,裝有一台可見光相機和一台紅外相機,可見光譜遙感分辨率達21米,白天能夠獲取32個波段的高光譜遙感,夜晚也能獲取8個波段的多光譜遙感和紅外光遙感。

提出研製“啟明星一號”並總負責的金光教授,曾是“吉林一號”衛星副總設計師。2019年退休后,他獲邀加入武漢大學宇航科學與技術研究院,學校撥給了他1000萬元科研啟動經費。

金光從中拿出800萬元打造的這個衛星,將成為武大學子的“空間實驗站”。

“造星”背後,是武漢大學求賢若渴,直面遙感學科短板的成果體現。在武漢大學遙感信息工程學院院長龔健雅看來,“啟明星一號”以學生為研製主體,代表年輕一代“像星星冉冉升起”。

大學生造衛星 一場800萬元的試驗

3月9日,武漢大學宇航科學與技術研究院實驗室,屏幕上顯示着“啟明星一號”的飛行位置、參數等模擬信息。新京報記者 杜寒三 攝

“自己造個衛星怎麼樣”

“武大遙感世界第一,有最雄厚的師資力量,你們會成為最優秀的人才”,2016年,黃淑娟考入武漢大學遙感信息工程學院時,老師如此向本科新生介紹。

這並非一句套話,根據高等教育評價專業機構軟科發布的信息,武漢大學遙感技術學科已連續五年排名世界第一。

“我們厲害在哪?”當時還不了解情況的黃淑娟,疑惑中帶着好奇。直到大一上學期開始上課,六名院士輪流授課《測繪學概論》,她才有所體會。

第一堂課,她去晚了些,教室已經坐滿了人。黃淑娟只好抱着電腦,倚着教室後排的牆坐在地上。

每次課前,學生們都排着隊,攤開課本找院士簽名。集齊六個簽名的幸運兒會發條朋友圈,開玩笑說可以“召喚神龍”。

比黃淑娟小兩屆的林煒華記得,當時仍健在的寧津生院士,走路和寫板書都慢騰騰的,字與字的間距也拉得大。早上8點上課,9點50分下課,林煒華聽課都聽累了,但80多歲的寧津生“一直都不坐,堅持站着講課”。

這讓林煒華覺得是種傳承,“引領新一代遙感人進門”。

除了傳承,武漢大學遙感信息工程學院也重視實踐。

黃淑娟大二那年,學院包了兩輛大巴,組織六七十個學生到武漢大學遙感衛星地面站參觀。地面站建在山上,外形像鍋蓋,還有一個天線。她抬頭想,“是不是有衛星正在接收信號?”

參觀結束后,黃淑娟操縱無人機,懸停拍下同學們的合照。

如果問這些學生什麼是遙感,他們多半會給出詩意的答案,“遙感就是遙遠的感知”,簡單來說,就是無人機、飛機、衛星等,從低到高直至太空,通過電磁波等信號回傳,獲得地面信息後進行處理。

但想從太空感知地面,並不容易。

尤其是加入科研團隊后,找不着數據,成了黃淑娟的一大困擾。

多光譜影像承載更多的色彩信息,全色影像分辨率高,黃淑娟想結合兩者優勢做影像融合。但開源的影像並不好找,商業衛星則要收費。

她算了筆賬,購買滿足實驗需求的影像,要花數千元錢。而如果想研究時間跨度較長的影像,只能向國外衛星機構訂購。

2019年研究生論文答辯時,教授金光問數據哪裡來的,學生都說是國外衛星。金光就說,“咱自己造一個衛星怎麼樣?”

他解釋道,有時想要昨天的數據,國外衛星只能提供10年前的。他打了個比方,選擇國外衛星就像吃飯,吃什麼只能由廚師說了算。要了碗海參炒麵,發現海參只是廚師名字,並沒有真海參。

金光與一同出席答辯的教授巫兆聰商量,在教學上搞個改革,造個衛星讓學生互動實驗。需要衛星圖像時,下達拍攝指令,拍完后若不合適,再調整參數。

兩人不謀而合。

大學生造衛星 一場800萬元的試驗

3月9日,武漢大學遙感信息工程學院一樓大廳,掛有兩院院士照片。新京報記者 杜寒三 攝

“金大膽”的算盤

研製衛星,金光有他的底氣。

退休來武漢大學前,他長期在長春光機所工作,人稱“金大膽”。

長春光機所做航天相機出身。早在2003年,金光就找到領導,問能否不依託別人,連相機帶衛星平台,自己做出一個閉環來?

2005年,所里拿出一大筆錢,支持創建新技術研究室,金光擔任主任。最初手下一個人也沒有,他又爭取到政策,報名參加的研究生劃到他名下,提前預留研究所的工作。海報貼出后,第一批招到11人。

從學生中挑,金光有他的算盤,“一張白紙能畫出更好的畫”。

半路出家的金光,頂着“瞎忽悠”的爭議,從光學設計到機械設計,再到自動控制,手把手訓練學生。

特批的火箭運載能力達1.2噸,但當時研製的衛星重量只有420公斤。航天事業充滿曲折,如果剩餘空間留給其他單位,火箭能否如期發射就有變數。

2014年六七月份,金光與火箭方商量,剩下的空間全包了,再造三顆衛星。

第二年,“吉林一號”一箭四星發射成功,成為我國首顆自主研發的“星載一體化”商用衛星,也是我國第一顆自主研發的米級高清動態視頻衛星。

2019年,與多年前在長春光機所類似,招新海報也在武漢大學貼出。

那時黃淑娟已加入巫兆聰科研團隊,巫兆聰找到她,“要讓學生造一顆衛星,願不願意參與到項目里?”黃淑娟立馬就應下了,但心裡仍不免嘀咕,“我們也能造衛星,騙人的吧?”但她又覺得老師不像是開玩笑。

大學生造衛星 一場800萬元的試驗

3月11日,金光在辦公室接受採訪。新京報記者 杜寒三 攝

“修圖師改行造相機”

此後將近一年的時間裡,黃淑娟都在搜集20世紀70年代以來國內外衛星的載荷、波段範圍、空間和時間分辨率、應用等資料。找不到數據,就從一篇篇論文中挖。挖出來的數據,再通過做實驗論證其準確性。

這是一個漫長而枯燥的過程。

早上9點到實驗室,晚上11點多離開是常態。遇到趕時間,指導老師把他們“關”在實驗室,不停地提出建議,學生們修改,老師再反饋,一直忙到夜裡12點。

學校宿舍樓晚上11點半關門,黃淑娟同宿管阿姨說好話,“對不起,我回來晚了,辛苦阿姨給我開門”。阿姨開了門,“下次早點回來呀”,黃淑娟不敢答應。第二天,黃淑娟還是從實驗室回來得晚,不同於前一天初犯,這次阿姨讓她做了登記。

衛星研製過程複雜,一般分為機械、熱控、姿態控制、星務、通信、電源動力等幾大系統。學生們在不同的團隊分工合作。

3月9日,武漢大學宇航科學與技術研究院衛星仿真測試實驗室,還掛着“‘啟明星’衛星發射及測控第二現場”“預祝‘啟明星’微納衛星發射成功”的橫幅。

五台液晶電視掛在牆上,顯示着衛星飛行位置、參數等模擬信息。桌上擺着一套衛星仿真系統,還有一個像不鏽鋼飯碗的飛輪。端起飛輪,隨着內部器件的高速轉動,會看到雙手發生偏轉。衛星上也有類似的飛輪,這也是衛星改變飛行姿態的方式之一。

博士生張雪峰負責衛星模擬仿真系統的搭建與調試。最開始時,滿屏幕的專業術語,他幾乎都不認識。研究圖像處理的他,將這種跨度比喻成“用修圖軟件的修圖師改行製造相機”,而且是造能在太空飛的相機。

金光把張雪峰和另外兩個學生送到長春光機所集訓了一周。張雪峰覺得,就像進了大觀園。老師講解時,他們一邊做着筆記,一邊還要用手機錄視頻。四五條每條時長30多分鐘的視頻,成了寶貴的資料。回武漢后,三個人圍在屏幕前反覆觀看。

帶回的中心機沒有信號燈,張雪峰接上電源,無法確定其是否工作。在接口連上顯示器,但屏幕仍然不亮。幾次嘗試無果,他只得給長春光機所的老師打電話求救。老師一聽就說,“會不會是電壓調低了,沒帶起來?”張雪峰一試,果然是這個問題。

“啟明星一號”研製以學生為主體,金光說,這不意味着教師放手,相反是在其中起關鍵作用,讓學生少走彎路。設計圖紙由他審查,不合格再返工修改,直到他認為可以投入研製,再開始加工,“學生是執行者。”

大學生造衛星 一場800萬元的試驗

3月9日,擺在武漢大學宇航科學與技術研究院的“啟明星一號”模型。新京報記者 杜寒三 攝

“老金,你花就行了”

2月27日上午,武漢大學“啟明星一號”團隊近20名老師和學生,在宇航科學與技術研究院衛星仿真測試實驗室,觀看1200多公裡外的火箭發射直播。

張雪峰攥着手,仰着頭,不敢眨眼。11點06分,白煙升騰,火箭尾部拖着火焰騰空而起,實驗室響起掌聲。十多秒后,火箭變成了一個小白點,直至再也望不見。

黃淑娟看着火箭越飛越遠,有些不舍,低聲問邊上的同學,“發射成功了吧?”兩人都不確定,“應該是吧”。

金光是沙場老將,他給大伙兒吃了顆“定心丸”,“發射成功了”。又是一陣掌聲。

這顆衛星,花了金光800萬元的科研經費。

2019年前後,中國科學院院士、武漢大學遙感信息工程學院院長龔健雅,三次趕赴長春邀請金光加入武漢大學。一個體現誠意的細節是,金光人還在長春,學院就給他備好了辦公室。

龔健雅的盛情邀請背後,是武漢大學謀划遙感學科的一局大棋。

龔健雅2018年發表的文章《新時代世界一流學科建設的站位與戰略布局》,至今仍在學院官網新聞欄中置頂。

文章提到,武漢大學的遙感學科目前能夠排名世界第一,是因為幾何遙感(包括攝影測量)很強,以及遙感信息處理的研究水平很高,得到了世界公認。但是遙感不僅包括幾何遙感,而且包括物理遙感(或者說定量遙感)和遙感傳感器。在遙感傳感器方面,武漢大學還有相當大的差距,不僅沒有達到國際領先的水平,在國內也難有一席之地。

公開資料顯示,2018年12月30日,武漢大學宇航科學與技術研究院舉行揭牌儀式,掛靠在遙感信息工程學院,力圖構建遙感平台、遙感儀器、遙感信息獲取處理與應用的完整科學技術體系,形成具有小衛星平台、空間遙感儀器以及遙感信息處理與應用的研究優勢,打造國內領先、國際一流的遙感與航天工程類人才培養與科學研究基地。

作為引進的高端人才,金光拿到了1000萬元的科研啟動經費。用他的話說,這筆錢怎麼花,“領導不管”。領導對他說,“老金,你花就行了,用在教學建設上就可以了。”

公開的《武漢大學關於加強海外高層次拔尖人才引進工作的實施意見》,是武漢大學高端人才科研啟動經費標準的縮影。根據文件,以海外高層次拔尖人才為核心,組建配備學術團隊,選聘工作助手,並以團隊形式配套科研啟動經費,其中理工、醫科特別崗位資助額度為300萬元至1000萬元。

2021年武漢大學校長竇賢康接受媒體採訪時的表述,亦可窺見武大的求賢若渴。

竇賢康說,武漢大學在高端人才隊伍建設方面絕對量的增加,包括增長的速度和加速度在中國高校中表現突出,“只要我們把人才看成是一個大學最重要的核心指標,上下齊心,並藉助一些外部力量,一定會把武漢大學的人才隊伍建設得更好。”

“沒有任何領導說你不能搞,院士們還說這個事值得做”,造衛星的想法不僅沒有阻力,龔健雅還建議將原定的衛星名“遙感一號”改為“啟明星一號”,“以學生為主體研製,代表年輕一代像星星冉冉升起”。

回顧兩年多的研製歷程,如何省錢是金光一直在考慮的。火箭發射衛星,每公斤報價15萬元。換句話說,每減少衛星1公斤重量,就能節省15萬元。

金光沿用了他在長春光機所提出的“星載一體化”,就像電腦一體機一樣,載荷與衛星一體化設計,並體現輕量化。他拿起辦公室桌上的煙盒,敲了敲,“以前一個板子是實心的,在實現抗彎效果的前提下,中間能不能鏤空一點?”

金光說,按照傳統的設計思路,若要實現同樣的功能,衛星重量要在50公斤以上。而“啟明星一號”最終重量僅為19.2公斤。

大學生造衛星 一場800萬元的試驗

3月9日,林煒華所在的實驗室,團隊目前正在篩選湖北省內的目標水體以供衛星觀測。新京報記者 杜寒三 攝

“最亮的星”

衛星成功發射,只是一個開始。

3月8日,還在念大四的林煒華,上金光辦公室拷了一張“啟明星一號”傳回的圖像。

金光操着東北口音,“小姑娘,快看看這個能做啥,你拷回去。”兩個人湊在電腦屏幕前,圖像色調是綠色的,放大能看到水體,還有一些農田。

“啟明星一號”團隊曾在遙感信息工程學院進行問卷調查,搜集學生今後想依託衛星做的應用與研究。

有個想法讓黃淑娟印象深刻,用夜光影像研究城市內的“鬼城”,計算房屋空置率,“現在光說建了多少房,但有沒有人住並不知道。”

林煒華所在的實驗室,正在篩選湖北省內的目標水體。金光曾表示,“啟明星一號”能“看清”水體的主要污染物,為水體環境監測提供預警。採集的夜光遙感影像是彩色的,能更好地用於分析城市燈光與經濟發展間的關係。

2018年6月,由武漢大學牽頭,聯合長光衛星技術有限公司研製的“珞珈一號”科學試驗衛星成功發射入軌。

那時,黃淑娟正在準備期末考試。朋友圈一水兒都是“珞珈一號”,還有人說“大家快記一下‘珞珈一號’的載荷、發射時間和相關信息,肯定會考”。黃淑娟特意看了一眼,沒想到考試真有這道題。

四年前的故事,將迎來續集。

今年1月,武漢大學在其官方微信公眾號發文,依託宇航科學與技術研究院,後續還將發射“珞珈二號01星”“珞珈三號01星”“珞珈三號02星”。

珞珈山的春天來了。前些天,林煒華一出宿舍,就看到了盛開的櫻花,“猝不及防就跌入了春天”。

大學生造衛星 一場800萬元的試驗

3月11日,武漢大學盛開的櫻花,不遠處有學生走過。新京報記者 杜寒三 攝

衛星剛,櫻花柔,這兩者都讓她覺得浪漫。

林煒華說,啟明星又叫金星,清晨在東方天空出現。等“啟明星一號”飛過武漢上空,她會抬頭多看兩眼,就當看星星,“在我心中,它就是最亮的星”。

儘管她知道,用肉眼看到這顆40×30×40厘米的微納衛星,可能只是徒勞。

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