三代四型、有方有圓、大小不一、輕重各異……在國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室里，藏著這樣一批神秘的“鋁匣子”。在外人看來(lái)，這些帶著藍(lán)色屏幕的“鋁匣子”長(zhǎng)相古怪，不知做何用途。懂行的人知道，它填補(bǔ)了中國(guó)國(guó)產(chǎn)重力儀研發(fā)的空白，使我國(guó)成為繼俄、美、德之后第四個(gè)研制出捷聯(lián)式航空重力儀的國(guó)家。
這些被稱(chēng)為“地球CT儀”的重力測(cè)量“神器”，由一支成立時(shí)平均年齡不到31歲的年輕科研團(tuán)隊(duì)，耗費(fèi)17年時(shí)間自主研發(fā)而成。它的誕生，為中國(guó)核心重力測(cè)繪裝備的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)辟了嶄新天地。
打破壟斷：“五年內(nèi)攻下這個(gè)山頭”
9.8N/Kg，這是人們對(duì)重力系數(shù)的常規(guī)認(rèn)知。但實(shí)際上，由于地表構(gòu)造復(fù)雜，不同地區(qū)的重力系數(shù)相差甚大。在該團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人吳美平教授看來(lái)，“精確的重力信息分布圖已成為國(guó)家重要戰(zhàn)略資源，沒(méi)有自己的重力信息分布圖，遠(yuǎn)程精準(zhǔn)打擊就無(wú)從談起。”
繪制精確的重力信息分布圖，就像給地球拍“CT”，微小的重力誤差極可能引起“誤診”，從而導(dǎo)致導(dǎo)彈偏離預(yù)定落點(diǎn)幾百米甚至上千米，或者影響潛艇的導(dǎo)航性能與戰(zhàn)略隱蔽能力。
隨著科技的發(fā)展，精確的重力信息分布圖對(duì)國(guó)家安全的重要性與日俱增。而圍繞軍用重力測(cè)量領(lǐng)域的技術(shù)博弈與封鎖也頻頻上演。2003年以前，我國(guó)對(duì)國(guó)內(nèi)地形復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行重力測(cè)量，只能依賴(lài)進(jìn)口的高精度重力儀。而一臺(tái)重力儀，往往要花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)元甚至上千萬(wàn)元。由于重力信息敏感，一旦儀器出現(xiàn)小故障，無(wú)法返修，只能直接報(bào)廢。與造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失相對(duì)比，更讓人無(wú)奈的是“有錢(qián)都買(mǎi)不到”。于是，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度航空重力儀的需求呼之欲出。2005年，國(guó)家863計(jì)劃將此目標(biāo)列入項(xiàng)目名單，并在全國(guó)范圍內(nèi)尋找研發(fā)機(jī)構(gòu)。
“五年內(nèi)攻下這個(gè)山頭!”時(shí)任自動(dòng)控制系副主任的吳美平教授，帶著一支年輕的6人隊(duì)伍，接下了這塊難啃的“硬骨頭”。項(xiàng)目申請(qǐng)成功后，大伙兒馬不停蹄，投入到緊張的研發(fā)之中。一間不足20平米的房子，成為了他們簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)室。夏天光著膀子調(diào)試設(shè)備，冬天裹著被子推導(dǎo)公式，實(shí)驗(yàn)室的燈光常常從早上亮到早上，焊接儀器燒壞的電路板也在角落里堆了一摞。第一年，吳美平教授就瘦了20斤，妻子抱怨：“雖然家就在學(xué)校門(mén)口，卻像是兩地分居。”
功夫不負(fù)有心人，3年后，第一代捷聯(lián)式航空重力儀試驗(yàn)樣機(jī)終于誕生了!在距東海海平面400米高的飛機(jī)上，當(dāng)航空重力儀的顯示屏上出現(xiàn)了一條條變動(dòng)的函數(shù)曲線時(shí)，大家心里那根緊繃的弦，終于可以松一松了。這臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)，成功測(cè)出了我國(guó)自主研發(fā)重力儀的第一批重力數(shù)據(jù)，內(nèi)符合精度達(dá)到5mGal/10km。
逆境趕超：“在顛簸中測(cè)出頭發(fā)絲1/100的位移”
數(shù)據(jù)測(cè)出來(lái)了，可吳美平團(tuán)隊(duì)的“野心”遠(yuǎn)不止于此，他們把目光投向了更高的“山峰”——提高測(cè)量精度和空間分辨率。
于是，第二道坎又?jǐn)[在了眼前。離樣機(jī)中期驗(yàn)收的時(shí)間僅有1個(gè)月了，可樣機(jī)測(cè)算數(shù)據(jù)距預(yù)想指標(biāo)還遙遙無(wú)期，每個(gè)人的心情又沉重起來(lái)。
“基于國(guó)產(chǎn)器件不可能研制出高精度重力儀。”吳美平團(tuán)隊(duì)決心向一些專(zhuān)家的論斷發(fā)起挑戰(zhàn)。吳美平教授給大家講錢(qián)學(xué)森帶領(lǐng)老一輩專(zhuān)家在各部件加工精度有限的情況下，成功研制出導(dǎo)彈的故事。他們瞄準(zhǔn)研制“中國(guó)芯”的新方向——優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與算法。一行行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、一條條測(cè)試曲線、一份份實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案……項(xiàng)目組成員聚在實(shí)驗(yàn)室里研究、分析、討論，幾乎沒(méi)有周末。近半米高的文字資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擺滿(mǎn)案頭，他們逐字逐句對(duì)比每一份資料，反反復(fù)復(fù)分析每一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)。這個(gè)從0到1的過(guò)程，也把團(tuán)隊(duì)成員逼成了“多面手”，“搞電氣的得懂機(jī)械設(shè)計(jì)和軟件流程，做機(jī)械的得明白電氣走線和濾波算法。”
用國(guó)產(chǎn)傳感器在飛機(jī)飛行中測(cè)出10-6g量級(jí)的微弱重力異常，其難度相當(dāng)于在顛簸的車(chē)輛中去測(cè)車(chē)內(nèi)設(shè)備一根頭發(fā)絲1/100的位移，這可能嗎?完全可能!當(dāng)他們將國(guó)產(chǎn)加速度計(jì)安裝到優(yōu)化設(shè)計(jì)了的儀器中，測(cè)出了比傳感器出廠精度指標(biāo)還要高的精度時(shí)，連生產(chǎn)廠家都無(wú)法置信，“這相當(dāng)于用卷尺測(cè)出了游標(biāo)卡尺的精度。”
千淘萬(wàn)漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金。2009年，團(tuán)隊(duì)終于研制出第一代具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的捷聯(lián)式航空重力儀工程樣機(jī)——SGA-WZ01，精度達(dá)到了1.5mGal/5km，這標(biāo)志著我國(guó)成為繼俄、美、德之后第四個(gè)研制出捷聯(lián)式航空重力儀的國(guó)家。
2012年8月，應(yīng)丹麥技術(shù)大學(xué)的邀請(qǐng)，吳美平教授帶領(lǐng)3名團(tuán)隊(duì)骨干，攜帶SGA-WZ01飛赴丹麥，參加北極格陵蘭島航空重力聯(lián)合科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這是我國(guó)自主研發(fā)的重力儀在國(guó)際舞臺(tái)上的“首秀”。令人驕傲的是，這臺(tái)“獨(dú)苗”不負(fù)眾望，完美完成8個(gè)架次7500km的飛行試驗(yàn)。
當(dāng)電腦屏幕上顯示出飛行試驗(yàn)重力數(shù)據(jù)初步處理結(jié)果的一瞬間，歡呼聲沸騰起來(lái)，國(guó)際測(cè)地協(xié)會(huì)副主席Rene Forsberg教授也微笑著豎起了大拇指：“這才是真正意義上的航空重力測(cè)量?jī)x器。”
挑戰(zhàn)極限：向南極與珠峰進(jìn)軍
2019年11月17日，兩套新型捷聯(lián)式重力儀被封裝進(jìn)“雪龍?zhí)?rdquo;科考船的大艙。它們將與吳美平團(tuán)隊(duì)的曹聚亮研究員一起，橫跨半個(gè)地球，直抵南極中山站，加入我國(guó)第36次南極科學(xué)考察隊(duì)固定翼飛機(jī)隊(duì)。
此次攜帶自主研制的重力儀挺進(jìn)南極，不光是全校科研團(tuán)隊(duì)首次南極科考，更是在全國(guó)此領(lǐng)域開(kāi)了先河。
“在南極高緯度和極低溫的環(huán)境條件下，慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)精度下降，自研的捷聯(lián)式重力儀精度和可靠性如何，能否順利完成測(cè)量任務(wù)?”縱然對(duì)自家的設(shè)備信心滿(mǎn)滿(mǎn)，但一想到即將面對(duì)的是南極特殊的地理位置和惡劣的氣候環(huán)境，曹聚亮心里難免捏了把汗。
試驗(yàn)伊始，就遇上了電源不足的問(wèn)題。出于安全考慮，重力儀在飛行過(guò)程中不接入飛機(jī)機(jī)載供電系統(tǒng)，只能用自帶電源?？?ldquo;一旦開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)，設(shè)備不能斷電，而攜帶的UPS不間斷電源在低溫下僅能夠續(xù)航5個(gè)小時(shí)，飛機(jī)一架次8個(gè)小時(shí)，剩下的3個(gè)小時(shí)去哪里找電源呢?”
思來(lái)想去，曹聚亮找到解決之道——改裝UPS。在隊(duì)友的協(xié)助下，他將UPS充放電回路分開(kāi)，提高供電效率，現(xiàn)場(chǎng)制作了一個(gè)24V/100AH的超級(jí)“充電寶”，充滿(mǎn)電后可保證重力儀工作10h以上，解決了實(shí)驗(yàn)電源不足的問(wèn)題。
可飛行試驗(yàn)期間，機(jī)載的測(cè)冰雷達(dá)又出了故障，功放報(bào)警，信號(hào)無(wú)法發(fā)射出去。飛行高度不斷攀升，高原反應(yīng)也愈加劇烈，精通電氣系統(tǒng)的曹聚亮只能一邊吸著氧氣，一邊定位故障原因并進(jìn)行臨時(shí)性修復(fù)，保證了科考任務(wù)的順利完成。
就這樣，在長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的南極科考期間，曹聚亮超額完成捷聯(lián)式重力儀的各項(xiàng)測(cè)量任務(wù)，首次成功獲取了南極伊麗莎白公主地、埃默里冰架區(qū)域的第一手重力場(chǎng)數(shù)據(jù)。這是我國(guó)自主研制的航空載荷首次實(shí)現(xiàn)在南極的應(yīng)用示范，對(duì)拓展自主載荷應(yīng)用和提升我國(guó)南極考察監(jiān)測(cè)能力有重要的意義。
2020年初，在海上漂泊了43天，曹聚亮終于回到了上海，正趕上國(guó)內(nèi)疫情肆虐，他被滯留在了上海隔離。隔離期滿(mǎn)的前一天，5個(gè)月未歸家的他，又接到保障捷聯(lián)式航空重力儀珠峰測(cè)量任務(wù)的命令——15年后我國(guó)重啟珠峰“身高”測(cè)量，舉世矚目。
深知任務(wù)的重要性，第二天，本該飛回長(zhǎng)沙的曹聚亮，二話(huà)沒(méi)說(shuō)坐上了前往拉薩的班機(jī)。
5月的珠峰北坡，白雪皚皚。2020珠峰高程測(cè)量登山隊(duì)隊(duì)員攜帶雪深雷達(dá)、地面重力儀等儀器設(shè)備向最高點(diǎn)攻頂。
搭載吳美平團(tuán)隊(duì)自主研制的捷聯(lián)式航空重力儀的“航空地質(zhì)一號(hào)”飛機(jī)，在珠穆朗瑪?shù)貐^(qū)1萬(wàn)米高空像犁地一樣沿著事先設(shè)計(jì)好的線路飛行并獲取空間重力數(shù)據(jù)時(shí)，日喀則機(jī)場(chǎng)的停機(jī)坪上，現(xiàn)場(chǎng)工作人員也在耐心等待著飛機(jī)的降落。每飛完一個(gè)架次，趁著飛機(jī)落地休整空隙，大家趕緊從重力設(shè)備中導(dǎo)出測(cè)得的數(shù)據(jù)。
“對(duì)取回的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理分析后，我們得出了兩張珠峰重力模型圖。”指著電腦上兩張看起來(lái)一模一樣的區(qū)域重力場(chǎng)分布圖，曹聚亮說(shuō)：“這兩張圖的數(shù)據(jù)一張由我們的航空重力儀測(cè)出，另一張由國(guó)外最先進(jìn)的同類(lèi)裝備測(cè)出。你看，測(cè)量結(jié)果基本一致。”這意味著，在極限環(huán)境中，吳美平團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的捷聯(lián)式重力儀性能與國(guó)際最先進(jìn)的同類(lèi)裝備已不相上下。(本報(bào)記者 劉小兵 本報(bào)通訊員 龔儀 焦西凱)
