特稿丨太空中多了一颗“碳星”

◎ 科技日报记者 付毅飞

在不久前举行的第十四届中国国际航空航天博览会上，在太空中进行在轨测试的陆地生态系统碳监测卫星（以下简称“碳星”），以模型形式与公众见面。

由中国航天科技集团五院（以下简称五院）遥感卫星总体部抓总研制的“碳星”，是世界首颗森林碳汇主被动联合观测遥感卫星，它将使我国碳汇监测进入天基遥感时代。

在第十四届中国国际航空航天博览会上，在太空中进行在轨测试的陆地生态系统碳监测卫星，以模型形式与公众见面。图源：中国空间技术研究院微信公众号

“党的二十大报告提出，到2035年广泛形成绿色生产生活方式，碳排放达峰后稳中有降，生态环境根本好转，美丽中国目标基本实现。”五院遥感卫星总体部卫星总设计师曹海翊对科技日报记者说，“我们的‘碳星’，就是森林碳汇监测的一把好手，通过监测森林的固碳能力，来监测我国‘碳达峰、碳中和’目标的完成情况，服务美丽中国目标的实现。”

为了将碳汇监测系统搬上太空，五院研制团队历经10年攻关，实现多项创新。

紧扣时代脉搏造“碳星”

2012年11月，党的十八大报告提出“努力建设美丽中国”。曹海翊陷入了思考：“如果我们能研制一颗观测绿水青山的卫星，那也是为建设美丽中国作贡献了。”

正巧那一年五院拿到“星载激光雷达总体技术”课题。激光雷达是卫星用来测量与地面物体距离的重要手段之一，项目团队决定攻克激光雷达测量森林高度难题，为中国研制首颗林业遥感卫星。

中国航天科技集团五院遥感卫星总体部卫星总设计师曹海翊向科技日报记者介绍陆地生态系统碳监测卫星。科技日报记者 付毅飞 摄

为了做足功课，曹海翊带着项目团队赴国家林业和草原局、中国林业科学院、东北林业大学等单位学习研究林业知识。一番“求学”下来，她发现，林业遥感的需求不仅仅是给大树量身高那么简单。

当时，碳汇概念已经流行，这是衡量森林固碳能力的重要指标。我国碳汇监测需要森林调查员跋山涉水，深入山林中实地进行树高和树木胸径测量，耗时耗力不说，还受到各种环境限制。

曹海翊认为，可以用天基遥感手段解决这个问题。

经过近两年深入研究，研制团队提出“激光器+相机”的主被动联合观测方案雏形，计划将光学遥感卫星的影像特长与激光雷达测高技术相结合，帮助我国林业部门实现碳汇监测跨越升级。

2015年，“美丽中国建设”被纳入我国“十三五”规划。同年，“碳星”正式启动研制。

“这颗卫星的研制是紧扣着时代脉搏跳动的。”五院遥感卫星总体部卫星总指挥王祥说。

用匠心打造精品

对星载激光雷达，研制团队有一定技术经验。在曹海翊作为总设计师、当时正在研制的资源三号02星和高分七号卫星上，均搭载了激光测高仪载荷。但“碳星”多波束激光雷达的配置指标面临着更高要求。

陆地生态系统碳监测卫星工作示意图。图源：中国空间技术研究院微信公众号

五院“碳星”总体主任设计师黄缙举例说：“激光脉冲的发射频次，在其他卫星上是每秒钟打几个点。而森林树高参差不齐，测点密度越高，测量数据就越全面精确。”

研制团队通过计算不同测点密度下的数据反演精度，经过近半年仿真分析，确定了5波束40赫兹重频的激光雷达方案。也就是说，“碳星”的激光雷达载荷共有5个测距激光器，每个激光器的发射频次达每秒40次，共具备每秒发射测量激光200次的能力。“这相当于把我国星载激光雷达的指标提升了一代。”黄缙说。

如何让相机在碳汇监测中最大化发挥作用，也是新问题。

“如果用传统卫星遥感方式去俯视，只能看到一棵树的面积。而如果沿着卫星运行轨迹从不同角度观测，则可以看出这棵树的体积、冠幅的几何形态，并探测它的反射特性，推算其茂密程度。”曹海翊说。

因此，研制团队将相机方案定为“多角度、多光谱”遥感相机，并通过近一年的成像仿真实验，确定了0°、±19°、±41°共5个角度，能够使大气对于观测图像质量的影响最小化，同时满足现阶段林业遥感观测需求。

此后，研制团队又从总体设计上提出新增超光谱探测仪和多角度偏振成像仪，用于探测叶绿素荧光和大气气溶胶。

曹海翊介绍说，“碳星”集多种载荷于一身，在同一时刻、同一位置开展观测，数据相互的耦合度更好，观测结果更真实准确，这样的效果是多颗单一载荷卫星难以比拟的。

从“纸上开花”到“落地生根”

2017年，“碳星”的研制终于从“纸上开花”到“落地生根”——卫星正式批复立项。

进入工程化研制阶段的“碳星”，面临的首要问题却是“减肥”。4种载荷虽然让它拥有强大的功能，但也使它“超重”了100公斤，超出了火箭运载能力。

卫星上每个零件都有用，怎么减？研制团队用了“狠招”。黄缙说，当时大家把载荷全部拆散，变成零部件逐一称重，列出长长的清单，然后跟同类零件对比，看更换零件或采用轻量化材料能减轻多少。在结构方面，研制团队对卫星布局进行了调整优化，一些附属结构能共用就共用、能省掉就省掉。

终于，他们在确保应用效果的前提下，帮助“碳星”顺利通过“体重关”，甚至在发射时，火箭还能顺便搭载2颗小卫星。

2022年8月4日11时08分，长征四号乙运载火箭在太原卫星发射中心点火升空，随后成功将陆地生态系统碳监测卫星和两颗小卫星送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。图源：中国航天科技集团，邓雨楠 摄

复杂的载荷也给卫星热控设计带来了麻烦。“碳星”的多波束激光雷达是目前功耗最大的星载激光器组合体，最大功率达1600多瓦，但需要维持在20℃左右的工作环境，常规散热方式无法满足。

同时，“碳星”围绕地球南北两极运行，约90分钟飞一圈，其中有60分钟在“阳照区”、30分钟在“阴影区”，这使其表面在一个半小时内最大温差达到±90℃。而在它内部，载荷要发挥最佳性能，温度变化需控制在0.5℃以内。

既要给“碳星”“穿棉袄”，又要为它“装空调”，研制团队为此煞费苦心。通过一系列创新设计，他们终于攻克了这些难题。

如果说，此前我国遥感卫星是“看”地面、描述地面，“碳星”则实现了更深刻地描述物体物理属性。“这是遥感卫星从几何特性定量化探测向辐射特性定量化探测的跨越。”谈起“碳星”的意义，曹海翊自豪地说，“它不仅能服务于美丽中国建设，还将为我国在‘双碳’战略中获得更多话语权提供支撑！”

来源：科技日报