在周恩来总理“要搞我们自己的气象卫星”的倡议下,1972年,气象卫星预研工作开始。上海技物所承担了卫星红外扫描辐射计的研制任务,匡定波为主任设计师。这颗卫星就是后来的“风云一号”。
匡定波参加“风云一号”气象卫星B星发射。
随着卫星参数逐步确定,匡定波等人关注到,美国预告发射的新气象卫星搭载的扫描辐射计信号全部从模拟制式改成数字制式,地面分辨率提高64倍,将完全取代我国在研方案对标的高分辨率扫描辐射计。
“如果按原定指标,在发射前完成研制是有把握的。但方案已经在技术上落伍了,等卫星上天以后,世界各国不会再接收这样的云图。”匡定波指出,“必须提升指标,采用新一代技术方案。”
上海技物所的研究人员主动“自我加压”,着手提升核心部件的性能指标。其中,研究员龚惠兴(1995年当选为中国工程院院士)负责扫描辐射计整体研制工作,红外探测器的任务交给了研究员方家熊(2001年当选为中国工程院院士)。
多番研讨后,团队决定选用与国际接轨的先进方案,用碲镉汞器件观测地球。碲镉汞被誉为红外探测器的“天选”材料,其禁带宽度随组分变化,可以制备各种波段的红外探测器。
尽管上海技物所是国内最早开始研制碲镉汞的单位,但当时材料指标离要求还有很大差距,其中最突出的是工作温度问题。
实验室研制的碲镉汞红外探测器在液氮制冷——即零下196.15摄氏度下工作性能良好,但在太空中,辐射制冷器只能为探测器提供零下168.15摄氏度的环境,在该温度下,探测器的性能急剧下降。
本着一股不服输的劲儿,方家熊带领29人的小组迎难而上。为了以最高效率攻克难题,他给团队立下了规矩:“全力配合总体,出问题从自己身上反思原因。”
他们一一攻克材料提纯、合成、检测、应用环境模拟等难关,并专门搭建了测量温度变化的设备,详细分析碲镉汞器件在不同温度下的性能,仔细研究参数和工艺。
当温度问题被基本解决后,团队又夜以继日地攻克了探测器封装难题。1988年9月7日,上海技物所建所30周年之际,“风云一号”气象卫星在太原卫星发射中心成功升空,不久后,红外扫描辐射计顺利获取清晰图像。
这意味着我国成为继美国之后第二个同时掌握光导型碲镉汞和辐射制冷技术的国家。同时期的欧洲早于我国起步,却迟迟未能做成。
1988年“风云一号”气象卫星发射任务试验队员凯旋。
自我施压,瞄准国际前沿
为何我国能在基础薄弱、技术被封锁的情况下,一举攻下碲镉汞器件难题?这靠的是科学家自我施压、自我超越的拼搏精神。
随着红外探测器应用范围的不断拓展,为了集中力量保证航天工程等国家重大任务的顺利完成,上海技物所将碲镉汞的材料与器件研究工作统一归并到第十研究室,由方家熊担任室主任。
研究室先后解决了材料预处理、质量控制和工艺规范等问题,建立了从碲镉汞材料生长到红外探测器元件制备的全链条流程。
“七五”期间,多元长波碲镉汞探测器预研项目的目标是做出一个超过10像元(探测器扫描采样的最小单元)的线列器件。但方家熊瞄准当时国际先进水平,决定把目标定为60像元。
上海技物所研究员龚海梅回忆道:“当时能做出十几像元的红外探测器已经很不容易了,且有几家单位同时在做,竞争十分激烈。”
但方家熊并不畏惧。他带领实验室同事克服经费不足、设备条件差等困难,成功研制出60像元器件。对此,原国防科工委发来贺信:“60像元碲镉汞线列红外探测器的研制成功,证明了我们中国的科技人员完全有能力打破国外的禁运和封锁,完全能够依靠自己的智慧和创造力攻克这一难关……你们为国防工业的研究单位做出了榜样。”
60像元长波红外探测器。
随后,180像元的碲镉汞器件研制任务也交给了上海技物所。