量子卫星研制中,最困难的就是有效载荷!没有先例可循,上海技物所勇闯“无人区”

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以天地为幕,让光子在空间舞蹈——这曾经是一个梦想,如今“墨子号”量子科学实验卫星已在空间正常运行两年。由于卫星的出色工作,科研人员仅用1年时间提前完成科学目标,实现了星地之间千公里级量子纠缠、密钥分发及隐形传态,入选2017年度中国科学十大进展榜首。

量子卫星首席科学家潘建伟坦言,在卫星研制中,最困难的环节就是有效载荷。中科院上海技术物理研究所作为量子卫星载荷总体单位,牵头研制了2个主要有效载荷,即量子密钥通信机和量子纠缠发射机。

实干见物。这支团队勇闯“无人区”,取得了多项国际领先的重大科研成果。

超过了原先设定的科学目标

“这些学生娃什么都不懂,能把量子卫星载荷做出来?”一位航天专家当年对量子卫星工程常务副总师王建宇推心置腹,言语中流露出深深的担忧。那时候的王建宇其实心里也没底,尽管有过做激光通信的经验,但量子卫星的原理性论证,没有任何东西可以借鉴。2008年,王建宇带着上海技物所一支平均年龄不到30岁的年轻队伍,埋头钻研了起来。

平均年龄不到30岁的年轻队伍

那位航天专家的担心不无道理,量子卫星载荷的研发,遇到的困难比想象的还要多。天地之间要建起畅通的通信链路,精度之高难以想象。从卫星到地面的单站密钥分发,相当于从合肥打一束光到北京,必须精准到哪一扇窗。量子纠缠分发,是卫星要向相隔1千多公里的两个地面站发送纠缠光子对,这一精度要求是目前国际上最高的,相当于在1万米高空的飞机上同时向两个储蓄罐扔旋转的硬币。

量子卫星载荷的偏振精度要求控制在0.5%到1%,这样才能确保信号编码“不走样”。“当时真的压力很大。”上海技物所光学镀膜研究室主任刘定权说,光子通过光学仪器表面时状态会发生变化,这就需要不断去测量,并对其镀膜修正。其难点在于,要对几十片不同功能的镜片分别进行薄膜厚度和膜层叠加设计,进行精准控制。这一难题困扰了团队一两年时间,仅样片就用去了几千个。最终,他们在工艺上进行了大胆突破,单个镜片的对比度达到一万比一以上,载荷偏振精度达到千分之三,超过了原先设定的科学目标,这些在国外报道的文献中从来没有见到过。

科研人员正在为真空环境下的模拟实验做准备

量子卫星载荷的稳定性也要求极高,振动试验后数十个光学元件不容许出现哪怕1微米的变化;当时可用的单光子探测器在航天环境下一般只能满足7天使用,而卫星要在太空飞行至少两年,这本身就是一道世界难题……

路虽远行则至。这支团队不仅实现了光子在空间的“舞蹈”,而且舞步优美。在一次项目评审会上,那位航天专家又特地找到王建宇,“没想到这些年轻人学得这么快!”

对于做航天工程的人来说,没有99%

“对于做航天工程的人来说,没有99%,必须做到万无一失。”这是采访时听到的最多的一句话。

团队里的每个成员经常需要解答一道特别的“题目”,那就是思考可能会有什么故障,预案是什么。“为了杜绝可能出现的意外,我已是训练有素,也锻炼出了看护孩子时防患于未然的能力。”电子学设计师强佳笑着说。

在成都野外试验场地

为了做到万无一失,卫星产品要经过严格的测试,包括大于单机10倍重量的力学振动试验、峰值为单机600倍重量的冲击试验、边界温度零下200多摄氏度的真空试验等。上海技物所研制的量子卫星有效载荷第一代产品,在做完这些测试后“遍体鳞伤”。当时的压力可想而知,他们花了3个月时间推倒重来。

2016年6月,量子卫星顺利通过出厂评审,但在最后一次测试中发现一个激光器的能量变小了。这也许只是性能的波动,但绝不能让卫星带问题上天。当时,卫星和火箭的专列计划都已上报,留给他们的时间不到一个月,如果不能彻底解决问题,卫星发射时间就可能向后推迟一年。在几家相关单位联合攻关下,终于从原理上彻底解决了问题。

连续15天,没怎么睡觉,修好断成三截的设备

“在青海湖的两年时间里,我们跑遍了地图上的每个地点。”作为量子密钥通信机这一最大载荷的主任设计师,张亮在2008年还是一名研究生。那时候,他就经常想“能在太空中发射激光”的卫星,会不会是夜空中最亮的星?

青海湖是个理想的实验场地,天气好的时候能看清对面100公里外的山头。青海湖,也见证了这支队伍的韧性和努力。即使是在10月,这里的夜间温度也在零度以下,他们穿着军大衣,顶着寒风在山顶做实验。白天,他们要自己搭帐篷、生火取暖、做饭。烤土豆,一开始是最受欢迎的食物,到了后来,除了烤土豆,还是烤土豆。

为了做实验,他们租用过拉羊的车、清扫垃圾的保洁车和大吊车。为模仿天地通信,他们“异想天开”使用了热气球和直升飞机,而这些实验从未有人做过。一次,热气球突然从10米高处向上窜到30米,正在热气球里操控电脑的张亮,本能地抓住绳子,脑子一片空白。

试验队员在垃圾车上做吊篮设备调试

连续15天,没怎么睡觉,修好断成三截的设备。这是有关青海湖记忆里最惊心动魄的一幕。2010年10月的青海湖,已是大雪封山。他们租了辆车,想把设备运到山顶做实验。司机在盘山路上开得很猛,设备一下被甩了出去,当场断成三截。光学设计师吴金才事后回忆,在设备研制过程中,看着设备从一块块元部件组装起来,就像看着自己的孩子慢慢长大。当时大家又难过又害怕,坐在山上哭了起来。王建宇接到电话,安慰说:“大不了明年再做。”但这群年轻人下定决心,实验不做完就不回去!第二天,贾建军研究员赶到青海支援,经过大家15天的努力,设备被修好并重新投入到实验中。

设备修好了,试验队员喜笑颜开

就是在这样的条件下,世界上首次浮空平台和近百公里的量子密钥分发实验,在青海湖畔完成。这也标志着我国突破了建立星地量子通信的关键技术。

筚路蓝缕,不仅仅是在青海湖。到了项目后期,团队成员都有默契地放弃了双休日。在一次热光试验中,该团队连续作战10天、24小时不间断地完成了测试。

结构设计师周成林的妻子生孩子那天,他接到同事电话,做试验时外置探测器掉下来砸碎了一块关键的镜片。安顿好妻儿,他就赶到了实验室。“90后”王天洪坦言,做卫星有效载荷的那几年,基本没有自己的时间,遇到任务紧张时一个月只能休息一两天。尽管也想过离开,但后来一转念年轻时吃点苦也挺好,就坚持了下来。每个成员都是忙忙碌碌的,总有人出差,没有一张集体照是“全家福”。

2016年8月16日,量子卫星成功发射。第一次看到现场传回来的图片时,张亮流下了眼泪,“它比我想象中还要美,确实是夜空中最亮的一颗星。”

曾经,量子卫星有效载荷的研制,对他们而言,是最难的。未来,如果要发展中高轨卫星,轨道高度将从现在的500公里增加到1万公里以上,载荷性能也就需提高十倍以上。没有重复的工作,只有永远向前的姿态。他们,已做好准备,再次迎难而上。

栏目主编:黄海华文字编辑:黄海华题图来源:新华社图片编辑:邵竞
本文图片:上海技术物理研究所提供


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责任编辑:桂楷东
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