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一顆小小的衛(wèi)星，能蘊(yùn)藏多大的科研能量？
前不久，我國主導(dǎo)研制的X射線偏振探測(cè)立方星，圓滿完成了其寬視場(chǎng)X射線偏振觀測(cè)的飛行驗(yàn)證任務(wù)。該立方星由廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院牽頭的合作團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，于2023年6月搭載力箭一號(hào)遙二運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。
立方星重量約為1千克，長、寬、高均為10厘米，常用于空間天文新技術(shù)的在軌飛行驗(yàn)證，可以在真實(shí)的空間環(huán)境中進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)室無法完成的苛刻試驗(yàn)。與動(dòng)輒花費(fèi)上億美元的傳統(tǒng)大衛(wèi)星相比，立方星的生產(chǎn)和發(fā)射成本低廉，逐漸成為航天發(fā)展的一個(gè)重要方向。廣西大學(xué)研制的這顆立方星，從外殼到電子芯片，全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。
X射線偏振包含大量關(guān)于天體物理過程和天體特性的關(guān)鍵信息，通過研究X射線的偏振，天文學(xué)家可以更深入地了解宇宙中的極端環(huán)境和高能物理過程，從而加深對(duì)宇宙演化和天體物理現(xiàn)象的理解。不過，礙于技術(shù)原因，X射線偏振觀測(cè)進(jìn)展緩慢。
此次立方星成功發(fā)射并圓滿完成飛行驗(yàn)證任務(wù)，讓我國的X射線偏振探測(cè)研究邁出了重要一步。鮮為人知的是，這一成果背后，有一支平均年齡30歲的青年科研團(tuán)隊(duì)。
團(tuán)隊(duì)成員討論立方星交付對(duì)接事宜。研制團(tuán)隊(duì)供圖
看不到“曙光”的研究項(xiàng)目
2014年，還在廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院讀本科的封煥波，加入了學(xué)院劉宏邦教授的團(tuán)隊(duì)，參與X射線偏振探測(cè)器的研究。
“當(dāng)時(shí)我兩眼一抹黑，什么是X射線偏振，要做什么樣的探測(cè)器，完全沒概念?！狈鉄úㄕf，慢慢接觸了解后，覺得自己掉進(jìn)一個(gè)“大坑”。
他了解到，意大利從2000年前后就開始研發(fā)X射線偏振探測(cè)器，彼時(shí)尚未有突破性成果。廣西大學(xué)團(tuán)隊(duì)2014年才著手研發(fā)，已經(jīng)落后了10多年。
面對(duì)這種情況，劉宏邦提出了“不僅要追趕，還要超越”的目標(biāo)。意大利的探測(cè)器專注于觀測(cè)空間天體亮源，視場(chǎng)較窄。團(tuán)隊(duì)要研發(fā)寬視場(chǎng)探測(cè)器，以觀測(cè)“空間中不確定何時(shí)何處出現(xiàn)”的暫現(xiàn)源——在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)然后很快消失的天體，讓研發(fā)難度大增。
其實(shí)，廣西大學(xué)與意大利一些實(shí)驗(yàn)室曾有科研合作。但近年來，一些國家對(duì)我國進(jìn)行技術(shù)封鎖，讓劉宏邦認(rèn)識(shí)到，要大力發(fā)展我國自己的科研力量。
團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是要讓探測(cè)器搭載火箭升空，在太空中完成X射線偏振探測(cè)實(shí)驗(yàn)。而火箭對(duì)于搭載的“乘客”，有嚴(yán)格的技術(shù)指標(biāo)和時(shí)間進(jìn)度要求，要在一個(gè)個(gè)緊迫的時(shí)間節(jié)點(diǎn)前，做出超越國外領(lǐng)先水平的成果，無疑是難上加難。
“我小時(shí)候在農(nóng)村長大，沒有什么大的志向，只想著畢業(yè)后去廣東打工。讓我參與這個(gè)重要項(xiàng)目，以前想都不敢想。當(dāng)我了解到國外的進(jìn)度和我們目前的情況，我覺得是‘天差地別’?！狈鉄úㄔ欢瓤床坏巾?xiàng)目的曙光，多次想過放棄，只想早點(diǎn)本科畢業(yè)，“甩開這個(gè)攤子”。
但劉宏邦留住了封煥波。
劉宏邦知道封煥波高考的物理成績(jī)很好，選擇來物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院一定是對(duì)這個(gè)領(lǐng)域有興趣。劉宏邦勸說封煥波：“不要辜負(fù)自己的物理天賦，把這個(gè)項(xiàng)目做完再選擇人生道路，跟完一個(gè)完整的科研項(xiàng)目，你對(duì)世界、對(duì)人生會(huì)有更深刻的理解。”
封煥波被說服了，他留了下來——從本科到碩士，從碩士到博士，都從事著當(dāng)前的項(xiàng)目。甚至有機(jī)會(huì)保研985高校時(shí)，他也因?yàn)椴簧徇x擇了留下。如今，他已是研究團(tuán)隊(duì)的骨干，主導(dǎo)設(shè)計(jì)了X射線偏振氣體探測(cè)器、電子學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等。
得益于近年來我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，以及高性能計(jì)算機(jī)的迭代，加上團(tuán)隊(duì)不舍晝夜地追趕，項(xiàng)目不斷取得突破。2021年，第一版探測(cè)器封裝完成，信號(hào)測(cè)試良好。封煥波說，這個(gè)“看不到曙光”的項(xiàng)目讓自己看到了曙光。
團(tuán)隊(duì)成員在歐洲核子研究中心進(jìn)行穿越輻射探測(cè)器束流實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。謝文錦/攝
科研不是閉門造車
研制X射線偏振探測(cè)立方星，是一個(gè)多學(xué)科交叉的復(fù)雜項(xiàng)目，從電子元件到計(jì)算機(jī)算法，從X射線光學(xué)到機(jī)械結(jié)構(gòu)，涉及多個(gè)學(xué)科的前沿領(lǐng)域。因此，劉宏邦一開始就沒有打算“單打獨(dú)斗”，而是要尋求多方合作，一起攻關(guān)。
在校內(nèi)，物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院引進(jìn)了具有國際科研合作經(jīng)驗(yàn)和空間載荷研制經(jīng)驗(yàn)的謝斐和胡慧君等科學(xué)家。在校外，學(xué)院邀請(qǐng)中國科學(xué)院大學(xué)、華中師范大學(xué)、中國科學(xué)院高能物理所、中國航天科技集團(tuán)五院等多方加入項(xiàng)目，組成了一個(gè)30余人的、平均年齡30歲的團(tuán)隊(duì)。
“科研是一個(gè)共同創(chuàng)造的過程，每個(gè)團(tuán)隊(duì)都有自己的長處，也有自己視野的局限，大家一起合作，才能取長補(bǔ)短。”廣西大學(xué)黨委常委、副校長梁恩維說。
研究中，各個(gè)科研單位分享自己的思路、技術(shù)，遇到問題共同討論解決。不僅如此，為了方便研究，一些單位還將人才派駐到廣西大學(xué)參與科研。
易滌凡是一名來自中國科學(xué)院大學(xué)粒子物理團(tuán)隊(duì)的直博生。X射線偏振相關(guān)的科學(xué)課題是他最感興趣的方向。通過中國科學(xué)院大學(xué)和廣西大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)的合作關(guān)系，他加入了項(xiàng)目，在廣西大學(xué)團(tuán)隊(duì)深入學(xué)習(xí)交流并參與項(xiàng)目研究工作。
X射線的信息被探測(cè)器捕獲后，只是一堆原始數(shù)據(jù)，其中還夾雜著許多干擾信息。要從中提取出有效的信息，只靠已有的處理算法，效率和精確度都較低。為了解決這個(gè)問題，易滌凡和團(tuán)隊(duì)成員一起鉆研，開發(fā)了新的全模擬軟件并提出了全新的修正算法，可以對(duì)探測(cè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行快速提取優(yōu)化，極大提高了X射線偏振探測(cè)精確度。
“科研不是閉門造車，很多老一輩科學(xué)家都鼓勵(lì)青年走出研究所，到各地大學(xué)扎根，去帶動(dòng)學(xué)科發(fā)展。” 易滌凡說，并非在北上廣才能做科研，廣西一樣可以，開放流動(dòng)可以形成良性循環(huán)的生態(tài)，有利于各學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展。
團(tuán)隊(duì)介紹，探測(cè)器要在太空使用，需要充入純凈的工作氣體，并減少氣體泄漏，以保證任務(wù)期間性能的穩(wěn)定。一種方式是外接一個(gè)氣罐，往探測(cè)器內(nèi)部補(bǔ)充氣體，維持探測(cè)器壓力。但外接氣罐會(huì)額外增加火箭運(yùn)載負(fù)擔(dān)，提高科研成本。
為此，封煥波花了4年時(shí)間研發(fā)出一項(xiàng)氣體探測(cè)器封裝技術(shù)，可以讓探測(cè)器脫離氣罐獨(dú)立使用。他不僅將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到探測(cè)器上，還共享出去，其他團(tuán)隊(duì)也能使用。
除了在技術(shù)上合作共享，在工作協(xié)作上，各單位也緊密配合。華中師范大學(xué)負(fù)責(zé)探測(cè)器的電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)好的圖紙會(huì)發(fā)往深圳的廠家生產(chǎn)。在一次試驗(yàn)中，電路板中的一個(gè)電容沒有通過測(cè)試。團(tuán)隊(duì)迅速按照航天標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了技術(shù)歸零，成功定位并復(fù)現(xiàn)了問題，最終確定電路板需要改版。而此時(shí)，已臨近項(xiàng)目時(shí)間節(jié)點(diǎn)。
要改電路板通常需要幾個(gè)星期的時(shí)間。華中師范大學(xué)王輝博士收到請(qǐng)求后，連夜修改好圖紙，深圳的廠家拿到圖紙后，停下原本的生產(chǎn)工作，緊急制作好電路板發(fā)到廣西大學(xué)。這套流程下來，只用了不到一周。封煥波說，中國科研、生產(chǎn)單位的緊密協(xié)作創(chuàng)造了這樣的速度。
立方星交付現(xiàn)場(chǎng)。研制團(tuán)隊(duì)供圖
年輕一代也能“十年磨一劍”
“有人說我們一代不如一代，但在我看來，年輕人是超越了我們老一代的?！?劉宏邦說。
由于各學(xué)校、科研單位是第一次合作，其間難免會(huì)出現(xiàn)紕漏。團(tuán)隊(duì)曾做出一款看上去“完美”的探測(cè)器，初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合要求，團(tuán)隊(duì)以為項(xiàng)目就快成功時(shí)，卻在模擬太空的環(huán)境中出了問題。
在大氣環(huán)境中，溫度相對(duì)穩(wěn)定，探測(cè)器運(yùn)轉(zhuǎn)良好。但在模擬太空環(huán)境里，劇烈變化的溫度，讓探測(cè)器部件因熱脹冷縮破裂，試驗(yàn)失敗。
“科研沒有僥幸，該踩的坑一定會(huì)踩，這些年我們踩了無數(shù)坑。但坑踩了一次，就要吸取教訓(xùn)，不能踩第二次?！狈鉄úㄕf，為了從這些坑中走出來，團(tuán)隊(duì)常常一周7天都在實(shí)驗(yàn)室，每天工作10小時(shí)以上。任務(wù)緊急時(shí)，一天只睡兩三個(gè)小時(shí)。
被問及為什么愿意付出這么多，封煥波說，為了追趕，為了超越。
“每當(dāng)克服了一個(gè)難題，我就會(huì)很興奮，疲憊也一掃而空，甚至想跑出去唱兩首歌。”封煥波說，如果說2014年是“前途無望”，那么10年后，已是“信心滿滿”。
2023年6月，X射線偏振探測(cè)立方星順利升空，成功捕獲X射線數(shù)據(jù)，完成了初步科研任務(wù)。這是國際上首次采用大面積拼接方案的衛(wèi)星，從探測(cè)器外殼到電子芯片，全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。從此，我國的X射線偏振研究不再依賴國外技術(shù)，避免了“卡脖子”問題。
但這樣的成果沒有讓團(tuán)隊(duì)滿足，當(dāng)前探測(cè)器的捕獲效率、精度和國際先進(jìn)水平仍有差距，他們接下來要研制更精確的探測(cè)器，并計(jì)劃在2027年讓探測(cè)器進(jìn)入中國空間站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
“中國要成為一個(gè)科技強(qiáng)國，要培養(yǎng)我們自己的年輕人。我們回頭來看，當(dāng)年研制出原子彈的那些人，也多是年輕人。當(dāng)下的年輕人，不僅有老一輩‘十年磨一劍’的精神，還處在更先進(jìn)的技術(shù)環(huán)境中，擁有更強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，懷著更樂觀、自信的心態(tài)。從這幾點(diǎn)來說，我們是可以做到一代比一代強(qiáng)的?！绷憾骶S說。
在梁恩維看來，國家非常注重科技人才的培養(yǎng)，不斷豐沃人才成長的土壤，如今很多科研項(xiàng)目的帶頭人都是30來歲的青年學(xué)者。當(dāng)青年學(xué)者帶動(dòng)更多更年輕的學(xué)生投身科研、發(fā)展科研，中國的科研人才供給就會(huì)源源不斷。
