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他们,给地球造了台“CT仪”

三代四型、有方有圆、大小不一、轻重各异……在国防科大智能科学学院的实验室里,藏着这样一批神秘的“铝匣子”。在外人看来,这些带着蓝色屏幕的“铝匣子”长相古怪,不知做何用途。懂行的人知道,它们填补了中国国产重力仪研发的空白,使我国成为继俄、美、德之后第四个研制出捷联式航空重力仪的国家。

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这些被称为“地球CT仪”的重力测量“神器”,由一支当时平均年龄不到31岁的年轻人,耗费17年时间自主研发而成。它的诞生,为中国核心重力测绘装备的国产化开辟了一番崭新天地。


打破垄断:“五年内攻下这个山头!”

9.8N/Kg,这是人们对重力系数的常规认知。但实际上,由于地表构造复杂,不同地区的重力系数相差甚大。

在该团队负责人吴美平教授看来,“精确的重力信息分布图已成为国家重要战略资源,没有自己的重力信息分布图,远程精准打击就无从谈起。”

绘制精确的重力信息分布图,就像给地球拍“CT”,微小的重力误差极可能引起“误诊”,从而导致导弹偏离预定落点几百米甚至上千米,或者影响潜艇的导航性能与战略隐蔽能力。

随着科技的发展,精确的重力信息分布图对国家安全的重要性与日俱增。而围绕军用重力测量领域的技术博弈与封锁也频频上演。

2003年以前,我国对国内地形复杂的区域进行重力测量,只能依赖进口的高精度重力仪。而一台重力仪,往往要花费数百万元甚至上千万元。由于重力信息敏感,一旦仪器出现小故障,无法返修,只能直接报废。

与造成巨额的经济损失相对比,更让人无奈的是“有钱都买不到”。“国外卖家很警惕,一听说我方有对超高精度重力仪与关键器件的购买需求,直接拒绝。”

此情此境下,研制具有自主知识产权的高精度航空重力仪的需求呼之欲出。2005年,国家863计划将此目标列入项目名单,并在全国范围内寻找研发机构。可面对国外技术封锁、关键器件禁运与诸多未知的困难,几乎所有科研团队均望而却步。

“五年内攻下这个山头!”时任自动控制系副主任的吴美平教授,带着一支年轻的6人队伍,接下了这块难啃的“硬骨头”。

“国内该领域的技术一片空白,这要怎么搞?”虽然早在2003年,团队就已经开始了捷联式航空重力仪理论方法的研究,但面对“五年内攻下山头”的军令状,大伙儿心里还是一点底都没有。

项目申请成功后,大伙儿马不停蹄,投入到紧张的研发之中。一间不足20平米的房子,成为了他们简陋的实验室。夏天光着膀子调试设备,冬天裹着被子推导公式,实验室的灯光常常从早上亮到早上,焊接仪器烧坏的电路板也在角落里堆了一摞。第一年,吴美平教授就瘦了近20斤。妻子常抱怨:“虽然家就在学校门口,却像是两地分居。”

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功夫不负有心人,三年后,第一代捷联式航空重力仪试验样机终于诞生了!在距东海海平面400米高的飞机上,当航空重力仪的显示屏上出现了一条条变动的函数曲线时,大家心里那根紧绷了三年的弦,终于可以暂时松松了。这台试验样机,成功测出了我国自主研发重力仪的第一批重力数据,内符合精度达到5mGal/10km。


逆境赶超:“在颠簸中测出头发丝1/100的位移”

数据测出来了,可团队的“野心”远不止于此,他们把目光投向了更高的“山峰”——提高测量精度和空间分辨率。于是,第二道坎又摆在了眼前。离样机中期验收的时间仅有一个月了,可样机测算数据距预想指标还遥遥无期,每个人的心情又沉重起来。

“基于国产器件不可能研制出高精度重力仪。”申请立项时,国内权威专家的论断似乎又响在了耳边。

“没有‘中国芯’,研制出来的仪器还是要受制于人!”

“国产器件的精度缺陷真的不能被补偿吗?”一筹莫展之际,吴美平教授提起了钱学森利用系统控制原理,在各部件加工精度有限的情况下成功研制出导弹的故事。仿佛看到了黑暗中的曙光,他们瞄准了研制“中国芯”的新方向——优化系统设计与算法。

一行行实验数据、一条条测试曲线、一份份实验测试方案……项目组成员聚在实验室里研究、分析、讨论,几乎没有周末。近半米高的文字资料和实验数据摆满案头,他们逐字逐句对比每一份资料,反反复复分析每一个测试数据。这个从0到1的过程,也把团队成员逼成了“多面手”,“搞电气的得懂机械设计和软件流程,做机械的得明白电气走线和滤波算法 。”

用国产传感器在飞机飞行中测出10-6g量级的微弱重力异常,其难度相当于在颠簸的车辆中去测车内设备一根头发丝1/100的位移,这可能吗?

完全可能!当他们将国产加速度计安装到优化设计了的仪器中,测出了比传感器出厂精度指标还要高的精度时,连厂家都无法置信,“这相当于用卷尺测出了游标卡尺的精度。”

千淘万漉虽辛苦,吹尽狂沙始到金。2009年,团队终于研制出第一代具有完全自主知识产权的捷联式航空重力仪工程样机——SGA-WZ01,精度达到了1.5mGal/5km,这标志着我国成为继俄、美、德之后第四个研制出捷联式航空重力仪的国家。

2012年8月,应丹麦技术大学的邀请,吴美平教授带领三名团队骨干师生,携带SGA-WZ01飞赴丹麦,参加北极格陵兰岛航空重力联合科学实验,这是我国自主研发的重力仪在国际舞台上的“首秀”,每个人既满心期待又压力山大。

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令人骄傲的是,这台“独苗”不负众望,完美完成8个架次7500km的飞行试验。当电脑屏幕上显示出飞行试验重力数据初步处理结果的一瞬间,欢呼声沸腾起来,国际测地协会副主席Rene Forsberg教授也微笑着竖起了大拇指,“这才是真正意义上的航空重力测量仪器!”

科研之路,境无止境。17年来,在提高重力仪精度与分辨率、拓展重力仪环境适应性、实现重力仪小型化的征途中,团队一直在“爬坡过坎”。如今,团队已经拥有四种型号的捷联式重力仪,可分别应用于陆地、航空、海面、水下等不同区域。近两年,“不满足”的他们又把“主意”打到了无人机上。今年5月,团队在敦煌成功开展了国内首次无人机航空重力测量试验。

当被问及为何“永不满足”时?他们这样回答:“除了国土疆域,每个国家还有技术疆域。技术疆域越大,受制于人的地方越少,国家的‘腰杆子’就越硬,国际认可度就越高。这些年我们所做的事,就是要为扩大我国的技术疆域贡献一份力量。”


挑战极限:向南极与珠峰进军

2019年11月17日,上海地质码头,两套新型捷联式重力仪被封装进“雪龙号”科考船的大舱。它们将与团队的曹聚亮研究员一起,横跨半个地球,直抵南极中山站,加入我国第36次南极科学考察队固定翼飞机队。

此次携带自主研制的重力仪挺进南极,不光是全校科研团队首次南极科考,更是在全国此领域开了先河。

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“在南极高纬度和极低温的环境条件下,惯导系统初始对准精度下降,自研的捷联式重力仪精度和可靠性如何,能否顺利完成测量任务?”纵然对自家的设备信心满满,但一想到即将面对的是南极特殊的地理位置和恶劣的气候环境,大家心里难免捏了把汗,手上的准备工作也加快了进度。

哪知,计划赶不上变化。试验伊始,就遇上了电源不足的问题。出于安全考虑,重力仪在飞行过程中不接入飞机机载供电系统,只能用自带电源。可“一旦开启实验,设备不能断电,而携带的UPS不间断电源在低温下仅能够续航5个小时,飞机一架次8个小时,剩下的3个小时去哪里找电源呢?”

思来想去,曹聚亮找到了解决之道——改装UPS。在队友的协助下,他将UPS充放电回路分开,提高供电效率,现场制作了一个24V/100AH的超级“充电宝”,充满电后可保证重力仪工作10h以上,解决了实验电源不足的问题。

可飞行试验期间,机载的测冰雷达又出了故障,功放报警,信号无法发射出去。飞行高度不断攀升,高原反应也愈加剧烈,精通电气系统的曹聚亮只能一边吸着氧气,一边协助定位故障原因并进行临时性修复,保证了科考任务的顺利完成。

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就这样,在长达三个月的南极科考期间,曹聚亮独自一人超额完成捷联式重力仪的各项测量任务,首次成功获取了南极伊丽莎白公主地、埃默里冰架区域的第一手重力场数据。这是我国自主研制的航空载荷首次实现在南极的应用示范,对拓展自主载荷应用和提升我国南极考察监测能力有重要的意义。

在海上漂泊了43天后终于回到了上海,正赶上国内疫情肆虐,曹聚亮被滞留在了上海隔离。隔离期满的前一天,五个月未归家的他,接到了保障捷联式航空重力仪珠峰测量任务的命令。

15年后我国重启珠峰“身高”测量,举世瞩目。深知任务的重要性,第二天,本该飞回长沙的曹聚亮,二话没说坐上了前往拉萨的班机。

5月的珠峰北坡,白雪皑皑。2020珠峰高程测量登山队队员携带雪深雷达、地面重力仪等仪器设备向最高点攻顶。

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搭载团队自主研制的捷联式航空重力仪的“航空地质一号”飞机

与此同时,在珠穆朗玛地区10000米的高空,当飞机载着团队自主研制的新一代捷联式航空重力仪,像犁地一样沿着事先设计好的测线飞行,获取空间重力数据时,日喀则机场的停机坪上,现场工作人员也在耐心等待着飞机的降落。每飞完一个架次,趁着飞机落地休整空隙,大家赶紧从重力设备中导出测得的数据。而这一忙活,往往从“鱼肚白”忙活到“夜深沉”。

“对取回的测量数据进行初步处理分析后,我们得出了这两张珠峰重力模型图。”指着电脑上两张看起来一模一样的区域重力场分布图,曹聚亮继续说道:“这两张图的数据一张由我们的航空重力仪测出,另一张由国外最先进的同类装备测出。你看,测量结果基本一致。” 这意味着,在极限环境中,团队所研发的捷联式重力仪性能与国际最先进的同类装备已不相上下。

如今,珠峰高程测量任务已圆满完成。长路漫漫待求索,翻越了这个“山峰”,在为国开拓技术疆域的征程中,团队成员仍旧步履不停。