張曉輝：微波探測月球，我們是第一個

北京時間11月27日夜，嫦娥一號衛星搭載的微波探測儀開始工作。
 
“一切都很順利！”
 
“利用微波遙感手段對月球進行探測，這在世界上是第一次；提出探測月壤厚度的科學目標也是世界首次。”
 
承擔該項探測任務的嫦娥一號衛星有效載荷微波探測儀，由中國科學院空間科學與應用研究中心設計并研制，該分系統主任設計師張曉輝近日接受了《科學時報》的采訪。
 
微波探測目標直指月壤
 
張曉輝說：“嫦娥一號搭載的微波探測儀的主要任務就是探測月壤的厚度信息，以前在阿波羅號登月的時候曾經采集過月壤，除此之外，再沒有以這樣的科學目標來探測月球。科學目標是我們空間中心的姜景山院士提出的，他很早就參與探月工程的論證工作，是探月工程的幾個發起人之一。”
 
在美國等國家的探月計劃中，都有從月球帶回月球物質、在月球上建立永久基地，甚至采集月球上的氦-3為地球所用等計劃。
 
張曉輝說：“氦-3分布在月壤之中，探測出月壤的厚度信息，就可以估算出氦-3的分布；此外，探測出月壤厚度比較均勻的地方，也有利于為嫦娥二期工程中的著陸計劃的實施提供參考。”
 
嫦娥一號衛星搭載的微波探測儀，主體上分3部分：兩套天線和一套微波接收機；微波接收機將接收到的微波信號放大，然后量化，變成數字編碼，傳送給公用系統，返回地面。
 
“所有高于絕對零度（-273.15℃，理論上說不可能有比這個溫度更低的物體）的物體，都以各種方式向外輻射能量。輻射能量高的比如太陽，我們都能感覺到它的熱量；房間里的各種物體，也在不斷向外輻射能量。就月球表層和次表層組成來說，包括月塵、月壤和月巖，這三種東西輻射出來的能量是不一樣的，最下層的月巖輻射的能量可以穿透月壤和月塵，通過月表輻射出來，同樣，月壤和月塵也各自都有能量輻射出來。”
 
張曉輝說：“為了區別這3種不同物質輻射出來的能量，我們設計了4個頻段的微波輻射計：3G赫茲、7.8G赫茲、19.35G赫茲和37G赫茲。衛星在月球表面經過27.3天（月球上的一天）的飛行，這4個頻段的微波輻射計就可以將衛星軌跡下面的月壤普查一次，獲得月球表面微波輻射圖。4個波段的探測可以獲得4張圖，通過差別比較、理論分析和計算，就可以得到月壤在全月球分布的大致信息。”
 
從理論上說，37G赫茲的頻段只能接收月球淺表層的月塵輻射出來的能量，3G赫茲的頻段能接收到月巖、月壤和月塵輻射的能量之和，7.8G赫茲和19.35G赫茲的頻段接收的能量輻射介于這兩者之間。
 
熟悉的儀器 陌生的征程
 
11月13日，嫦娥一號衛星搭載的各種有效載荷還沒有開始工作。張曉輝在辦公室接受記者采訪時，電話突然響起。
 
放下電話，張曉輝說：“我們接到通知，開始安排值班了，一個值班點在中科院國家天文臺月球與深空探測科學應用中心，另一個值班點在BACC（北京衛星指控中心）。”
 
“運行指令事先都已經做好了，并且經過了驗證，一切準備就緒了。”
 
其實早在神舟四號飛船上，就已經搭載了微波探測儀等類似的設備，對地球海冰的厚度、土壤的濕度、積雪的分布等各種環境問題進行了成功探測；即將發射的風云3號衛星也搭載了中科院空間中心研制的微波濕度計，用于測量大氣層的水汽含量，進行天氣預報。
 
“這些微波探測設備的原理構造都差不多，只是頻段不一樣。”參與過多個微波探測設備設計的張曉輝，雖然對歷經5年時間親手設計的探月專用微波探測儀再熟悉不過，但還是對儀器的首次月球之旅放心不下，“我想馬上就親自看一眼儀器現在是什么樣子。想要看看探測的數據是否和預想結果吻合，能否獲得一個最佳的探測結果；另外，還要保證不出意外”。
 
無條件服務整體工程
 
“有特殊要求就有難度，設計一個地面使用的設備并不難，一旦‘上天’就會有各種限制，其中儀器‘體重’是一個重要因素。”張曉輝說。
 
根據2003年上半年嫦娥一號衛星的申報要求：除天線外，微波探測設備的總重量不超過規定值。
 
“那時，8個天線的構想都沒有出來，天線部分的重量就沒有報，后來當嫦娥一號需要搭載的8個有效載荷做出來的時候，才發現總重量超了很多。”張曉輝說，“后來8個天線設計出來的重量不包括在給微波探測設備的總重量上限之內，也就是說8個天線的重量要自己想辦法。”
 
姜景山院士是整個繞月探測工程副總師，他訂了一條規矩：“哪個有效載荷的重量減不下去，哪個項目就不上了；重量指標分給其他有效載荷。”
 
張曉輝說：“大家都在‘減肥’，微波探測儀減得比較多一些，到拿出初樣的時候，微波探測儀的體重已經減到了規定限值以下了。”
 
與“減肥”相比，“歸零過程”也是比較艱難的任務。
 
“我們的儀器遇到了任何問題，都要‘歸零’處理，有五個步驟：定位準確、機理清楚、問題復現、措施有效、舉一反三。”張曉輝脫口而出，“一旦出現問題，首先要確定是什么原因引起的；第二要明白，為什么發生問題；第三，要故意犯一下錯，看問題還會不會出現，確實有問題才可以改；第四，修改的措施一定要有效；第五，還要將類似的情況全都清查一遍，看有沒有類似錯誤，這樣才能真正把錯誤改掉。”
 
張曉輝說：“話是這么說，但是有時候真的比較麻煩，如果是經常出現的問題倒好辦了，就怕問題不出現。在正樣制造過程中，儀器中的一塊電路板出現了問題，幾乎所有的檢測手段都用上了，最后發現，一個電焊渣在刷膠的時候留在了漆里，我們把儀器上所有的電路板都用放大鏡看了一遍。”
 
微波探測儀研制小組于2003年12月完成了模樣產品，2004年啟動初樣研制，2005年8月正樣設計評審通過，2006年3月正樣研制結束，交付衛星使用。
 
“大家都很辛苦，工程任務的完成都有一個節點，到哪一步完成哪些任務都有一個時間限制，這在項目開始時就有一個基本框架。不僅是我，中科院所有有效載荷工作團隊都是按照這個框架走。我們要無條件服務整體工程。”張曉輝說。