大洋網(wǎng)訊中國科學(xué)衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空已有兩年零3個月。“悟空”是目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最高的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，超過國際上同類探測器，作為我國的重大科技攻關(guān)項(xiàng)目，還被寫進(jìn)了去年的黨的十九大報告。
運(yùn)行兩年多來，“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(zhì)研究更進(jìn)一步。暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星工程（“悟空”）總設(shè)計師艾長春從事航天事業(yè)已有50余年，他也是中國航天事業(yè)輝煌60年的見證者和參與者。近日，他向記者講述了“悟空”背后的故事。
今年76歲的艾長春滿頭銀發(fā)，精神矍鑠，走起路來比小伙子還要快。盡管悟空號在軌運(yùn)行已經(jīng)有兩年多時間，但作為工程總師的艾長春卻極少出現(xiàn)在媒體視線中，他一直出奇地低調(diào)。即便就“悟空”的科研成果舉行發(fā)布會，更多出現(xiàn)在鏡頭前的也是“悟空”首席科學(xué)家常進(jìn)。
“悟空”飛天兩年依然100分
艾長春常掛在嘴邊的一句話是，要把更多機(jī)會留給年輕人。常進(jìn)比他小20多歲，算是“年輕人”。在“悟空”研制過程中，兩人合作非常融洽，各司其職。“他精力旺盛，有闖勁和創(chuàng)新精神，我要多向他學(xué)習(xí)，支持他的工作。”艾長春說，他從項(xiàng)目一開始就建議，暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“兩總”要定期與首席科學(xué)家溝通，讓首席科學(xué)家有更大的發(fā)言權(quán)。
“悟空飛天‘取經(jīng)’這兩年，我做的工作很少，因?yàn)樾l(wèi)星在軌運(yùn)行狀態(tài)很好。”艾成春笑著說。2016年3月，“悟空”飛天3個月后，中科院國家空間科學(xué)中心組織專家對衛(wèi)星進(jìn)行在軌測試總結(jié)評審，當(dāng)時給出的指標(biāo)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(tài)。
悟空號可以對5GeV到10TeV之間的電子、伽馬射線實(shí)現(xiàn)“經(jīng)濟(jì)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，后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(dāng)于平均每天500萬個高能粒子。而中國的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國際上同類探測器。
“再重的擔(dān)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(xué)讀完高中二年級，就被一所軍事技術(shù)學(xué)校特招為第一批學(xué)員。他起初被告知要支援西部邊疆，然而卻在1961年被安排到航天機(jī)關(guān)當(dāng)參謀。
在機(jī)關(guān)工作沒空讀書，艾長春就報了北京航空學(xué)院夜校，白天工作、晚上學(xué)習(xí)，用4年時間學(xué)習(xí)了電子技術(shù)專業(yè)的大學(xué)課程。后來，他所學(xué)的這些課程終于發(fā)揮了作用。從1970年發(fā)射第一顆東方紅衛(wèi)星，到1975年發(fā)射第一顆返回式衛(wèi)星，到1980年發(fā)射氣象衛(wèi)星，他基本上都參與過這些衛(wèi)星發(fā)射的相關(guān)工作。
艾長春一輩子都在干航天事業(yè)。在擔(dān)綱“悟空”工程總師之前，他曾擔(dān)任過兩顆衛(wèi)星的工程總師。而與“悟空”結(jié)緣，則純屬巧合。他說，在“悟空”發(fā)射之前，我國未曾發(fā)射一顆空間科學(xué)衛(wèi)星。
即便在航天領(lǐng)域摸爬滾打了40余年，2011年，當(dāng)中科院邀請他出任暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星工程總師時，他還是很忐忑，心里一點(diǎn)底也沒有，因?yàn)檫@顆衛(wèi)星帶有太多“第一次”：中科院第一次主持衛(wèi)星大工程，微小衛(wèi)星工程中心第一次承擔(dān)超過1000公斤的衛(wèi)星研制；國內(nèi)第一次研制以載荷為中心的一體化結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星。
而更大的壓力則在于，一旦接受這個任務(wù)，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(yīng)用衛(wèi)星的研制。而像“悟空”號這樣的科學(xué)衛(wèi)星，從事的是空間科學(xué)研究，屬基礎(chǔ)科學(xué)研究范疇，就是要搶占第一科學(xué)發(fā)現(xiàn)，科學(xué)發(fā)現(xiàn)只有第一，沒有第二。
也就是說，如果你沒有世界公認(rèn)的科研成果產(chǎn)出，任務(wù)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(rèn)可的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，那么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?fù)?dān)。“再重的擔(dān)子也要扛下。雖然壓力巨大，但我有責(zé)任擔(dān)起這個擔(dān)子，它承載著幾代航天人的夢想。”
從業(yè)50年來最棘手的項(xiàng)目
“悟空”是中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)的五顆衛(wèi)星任務(wù)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(zhì)湮滅或衰變后留下的蛛絲馬跡。“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(shí)，早在13年前，艾長春還沒接手暗物質(zhì)探測衛(wèi)星的擔(dān)子時，他的搭檔，彼時擔(dān)任中科院紫金山天文臺副臺長的常進(jìn)便開始研究如何“捕獲”暗物質(zhì)。
那是2005年，中美聯(lián)合在南極進(jìn)行了一場空間探測實(shí)驗(yàn)。在當(dāng)時的實(shí)驗(yàn)中，常進(jìn)所使用的探測器發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：有一個能量段，大家都認(rèn)為其計數(shù)率應(yīng)該“下降”，但結(jié)果卻顯示為“超出”，也就是不降反增了。
當(dāng)時，常進(jìn)就心想，這是不是跟暗物質(zhì)有關(guān)？他有了一個想法：如果能做一個大型探測器放到衛(wèi)星上，就能確定這些奇怪的東西是不是暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的高能粒子。
當(dāng)擔(dān)子真正落在肩上時，艾長春才感到任務(wù)的艱巨。他毫不諱言，這是他從事航天事業(yè)50年來最棘手的項(xiàng)目。
在擔(dān)任總工程師的頭一年，艾長春幾乎沒有睡過一個好覺。他把所有載荷研制單位走了一遍。中科院上海微小衛(wèi)星中心之前沒有做過超一噸重的衛(wèi)星，艾長春就培養(yǎng)隊(duì)伍，邀請擔(dān)任繞月探測工程、嫦娥一號衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮兼總設(shè)計師的葉培建院士開設(shè)工程技術(shù)骨干培訓(xùn)班，提高工程師隊(duì)伍水平。
“BGO”的晶體量能器是悟空號身上最核心和最重的部分。在項(xiàng)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(diǎn)的。艾長春的團(tuán)隊(duì)?wèi)B(tài)度堅(jiān)決，必須要用重一點(diǎn)的,這樣才有可能趕在外國人之前發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)。“科學(xué)發(fā)現(xiàn)有時就是要搶機(jī)會，你落在別人后面發(fā)現(xiàn)的東西，可能你之前的努力都白費(fèi)了。”
每次“拍板”都捏一把汗
“悟空”是一個系統(tǒng)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(dān)著常人難以想象的壓力。
在“悟空”出廠前，艾長春就遇到了一個挑戰(zhàn)。“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發(fā)絲粗細(xì)，并且不能裝錯。“悟空”出廠時，有337個硅微條探測單元失效，占總數(shù)的0.46%。雖然技術(shù)上要求在失效率低于2%就可以出廠，但工程人員擔(dān)心，接下來會不會有更多的探測單元失效？那樣的話可就達(dá)不到出廠要求。
“當(dāng)時我面臨抉擇，簽字，就意味著要負(fù)責(zé)任。當(dāng)時已經(jīng)快到10月份了，距離衛(wèi)星發(fā)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(jìn)商量后，常進(jìn)認(rèn)為，天上的環(huán)境條件要比地上好，失效的單元有可能會恢復(fù)。排查硅探測器會拖慢發(fā)射進(jìn)度。艾長春最終在文件上簽字，決定衛(wèi)星出廠，運(yùn)往發(fā)射基地，照常發(fā)射。
果然，在“悟空”發(fā)射3個月后，硅陣列探測器的失效探測單元降到118個，有219個恢復(fù)正常，印證了常進(jìn)的判斷。常進(jìn)至今回憶起這一幕仍對艾長春深表敬佩。“艾總真是敢負(fù)責(zé)任、敢擔(dān)當(dāng)。如果當(dāng)時停下來排查硅探測器，不光可能產(chǎn)生新的問題，衛(wèi)星的發(fā)射也至少要延期4個月。”
考驗(yàn)還未結(jié)束。2015年12月，酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地，“悟空”在距離發(fā)射不到兩個星期時的聯(lián)合測試中又出現(xiàn)一些小故障，衛(wèi)星能否按計劃發(fā)射需要慎重決策。最終，在綜合各方意見評判后，艾長春拿定主意，同意火箭仍然在12月17日發(fā)射。
這種重大決斷，艾長春并不是頭一回遇到。“發(fā)現(xiàn)問題不可怕，把問題解決在火箭點(diǎn)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?yàn)閴毫μ螅?jīng)連續(xù)3天沒有睡覺。
2015年12月17日，當(dāng)“悟空”發(fā)射成功時，熱淚盈眶的艾長春和常進(jìn)擁抱在一起，這對老戰(zhàn)友4年多沒日沒夜工作，付出總算沒有白費(fèi)。“悟空的成功發(fā)射，艾總起到非常重要的作用，他利用多年的航天組織和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)為‘悟空’工程提供了主要的頂層設(shè)計，協(xié)調(diào)各大系統(tǒng)，確保了工程的成功。”常進(jìn)說。
第二批科研成果年底出爐
回憶起“悟空”從開始研發(fā)到現(xiàn)在7年多經(jīng)歷，艾長春將成功經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為20個字——擔(dān)當(dāng)服務(wù)、著眼大局、抓住關(guān)鍵、綜合平行、協(xié)調(diào)發(fā)展。“工程總師在面對工程的重大問題時要勇于承擔(dān)責(zé)任。”在采訪中，艾長春反復(fù)強(qiáng)調(diào)著這句話，回憶起悟空研制過程中的種種曲折與艱險，他感慨萬千。
艾長春回憶說，當(dāng)初設(shè)計暗物質(zhì)衛(wèi)星曾經(jīng)有兩個方案，一個方案是將1415公斤的探測器放在一個現(xiàn)成的衛(wèi)星上面，衛(wèi)星的總重將超過3噸，換用更大型號火箭發(fā)射，費(fèi)用就要增加6000萬元；另一個是以載荷為中心設(shè)計方案，僅增加400多千克就可實(shí)現(xiàn)完整的衛(wèi)星功能，使得載荷與整星的質(zhì)量比達(dá)到了73%。
“以前中國科學(xué)家只能將研制的儀器搭載在其他衛(wèi)星上開展空間科學(xué)研究。以載荷作為主體，熱控件、電源、結(jié)構(gòu)件等服務(wù)系統(tǒng)圍繞載荷進(jìn)行設(shè)計，這是我國衛(wèi)星第一次采用此種設(shè)計，這種設(shè)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(wèi)星工作十分穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)異。去年底，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的成果在《自然》雜志發(fā)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(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。
“悟空”衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)還可以廣泛地用于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(xiàn)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(tuán)隊(duì)這么多年的辛勤付出總算沒有白費(fèi)，但還不能松口氣，硬仗還在后面。”
新的一年，艾長春的團(tuán)隊(duì)又為“悟空”定下全新的“小目標(biāo)”：新的一年，衛(wèi)星在繼續(xù)積累高能電子、伽馬射線探測數(shù)量的同時，會把收集和分析重點(diǎn)放到50TeV以上的超高能宇宙線粒子上來，力求盡快解開宇宙中的粒子加速之謎。“悟空”第二批成果預(yù)計今年年底出爐，艾長春和他的伙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(xué)中心提供
來源：大洋網(wǎng)