张晓辉：微波探测月球，我们是第一个

北京时间11月27日夜，嫦娥一号卫星搭载的微波探测仪开始工作。
 
“一切都很顺利！”
 
“利用微波遥感手段对月球进行探测，这在世界上是第一次；提出探测月壤厚度的科学目标也是世界首次。”
 
承担该项探测任务的嫦娥一号卫星有效载荷微波探测仪，由中国科学院空间科学与应用研究中心设计并研制，该分系统主任设计师张晓辉近日接受了《科学时报》的采访。
 
微波探测目标直指月壤
 
张晓辉说：“嫦娥一号搭载的微波探测仪的主要任务就是探测月壤的厚度信息，以前在阿波罗号登月的时候曾经采集过月壤，除此之外，再没有以这样的科学目标来探测月球。科学目标是我们空间中心的姜景山院士提出的，他很早就参与探月工程的论证工作，是探月工程的几个发起人之一。”
 
在美国等国家的探月计划中，都有从月球带回月球物质、在月球上建立永久基地，甚至采集月球上的氦-3为地球所用等计划。
 
张晓辉说：“氦-3分布在月壤之中，探测出月壤的厚度信息，就可以估算出氦-3的分布；此外，探测出月壤厚度比较均匀的地方，也有利于为嫦娥二期工程中的着陆计划的实施提供参考。”
 
嫦娥一号卫星搭载的微波探测仪，主体上分3部分：两套天线和一套微波接收机；微波接收机将接收到的微波信号放大，然后量化，变成数字编码，传送给公用系统，返回地面。
 
“所有高于绝对零度（-273.15℃，理论上说不可能有比这个温度更低的物体）的物体，都以各种方式向外辐射能量。辐射能量高的比如太阳，我们都能感觉到它的热量；房间里的各种物体，也在不断向外辐射能量。就月球表层和次表层组成来说，包括月尘、月壤和月岩，这三种东西辐射出来的能量是不一样的，最下层的月岩辐射的能量可以穿透月壤和月尘，通过月表辐射出来，同样，月壤和月尘也各自都有能量辐射出来。”
 
张晓辉说：“为了区别这3种不同物质辐射出来的能量，我们设计了4个频段的微波辐射计：3G赫兹、7.8G赫兹、19.35G赫兹和37G赫兹。卫星在月球表面经过27.3天（月球上的一天）的飞行，这4个频段的微波辐射计就可以将卫星轨迹下面的月壤普查一次，获得月球表面微波辐射图。4个波段的探测可以获得4张图，通过差别比较、理论分析和计算，就可以得到月壤在全月球分布的大致信息。”
 
从理论上说，37G赫兹的频段只能接收月球浅表层的月尘辐射出来的能量，3G赫兹的频段能接收到月岩、月壤和月尘辐射的能量之和，7.8G赫兹和19.35G赫兹的频段接收的能量辐射介于这两者之间。
 
熟悉的仪器 陌生的征程
 
11月13日，嫦娥一号卫星搭载的各种有效载荷还没有开始工作。张晓辉在办公室接受记者采访时，电话突然响起。
 
放下电话，张晓辉说：“我们接到通知，开始安排值班了，一个值班点在中科院国家天文台月球与深空探测科学应用中心，另一个值班点在BACC（北京卫星指控中心）。”
 
“运行指令事先都已经做好了，并且经过了验证，一切准备就绪了。”
 
其实早在神舟四号飞船上，就已经搭载了微波探测仪等类似的设备，对地球海冰的厚度、土壤的湿度、积雪的分布等各种环境问题进行了成功探测；即将发射的风云3号卫星也搭载了中科院空间中心研制的微波湿度计，用于测量大气层的水汽含量，进行天气预报。
 
“这些微波探测设备的原理构造都差不多，只是频段不一样。”参与过多个微波探测设备设计的张晓辉，虽然对历经5年时间亲手设计的探月专用微波探测仪再熟悉不过，但还是对仪器的首次月球之旅放心不下，“我想马上就亲自看一眼仪器现在是什么样子。想要看看探测的数据是否和预想结果吻合，能否获得一个最佳的探测结果；另外，还要保证不出意外”。
 
无条件服务整体工程
 
“有特殊要求就有难度，设计一个地面使用的设备并不难，一旦‘上天’就会有各种限制，其中仪器‘体重’是一个重要因素。”张晓辉说。
 
根据2003年上半年嫦娥一号卫星的申报要求：除天线外，微波探测设备的总重量不超过规定值。
 
“那时，8个天线的构想都没有出来，天线部分的重量就没有报，后来当嫦娥一号需要搭载的8个有效载荷做出来的时候，才发现总重量超了很多。”张晓辉说，“后来8个天线设计出来的重量不包括在给微波探测设备的总重量上限之内，也就是说8个天线的重量要自己想办法。”
 
姜景山院士是整个绕月探测工程副总师，他订了一条规矩：“哪个有效载荷的重量减不下去，哪个项目就不上了；重量指标分给其他有效载荷。”
 
张晓辉说：“大家都在‘减肥’，微波探测仪减得比较多一些，到拿出初样的时候，微波探测仪的体重已经减到了规定限值以下了。”
 
与“减肥”相比，“归零过程”也是比较艰难的任务。
 
“我们的仪器遇到了任何问题，都要‘归零’处理，有五个步骤：定位准确、机理清楚、问题复现、措施有效、举一反三。”张晓辉脱口而出，“一旦出现问题，首先要确定是什么原因引起的；第二要明白，为什么发生问题；第三，要故意犯一下错，看问题还会不会出现，确实有问题才可以改；第四，修改的措施一定要有效；第五，还要将类似的情况全都清查一遍，看有没有类似错误，这样才能真正把错误改掉。”
 
张晓辉说：“话是这么说，但是有时候真的比较麻烦，如果是经常出现的问题倒好办了，就怕问题不出现。在正样制造过程中，仪器中的一块电路板出现了问题，几乎所有的检测手段都用上了，最后发现，一个电焊渣在刷胶的时候留在了漆里，我们把仪器上所有的电路板都用放大镜看了一遍。”
 
微波探测仪研制小组于2003年12月完成了模样产品，2004年启动初样研制，2005年8月正样设计评审通过，2006年3月正样研制结束，交付卫星使用。
 
“大家都很辛苦，工程任务的完成都有一个节点，到哪一步完成哪些任务都有一个时间限制，这在项目开始时就有一个基本框架。不仅是我，中科院所有有效载荷工作团队都是按照这个框架走。我们要无条件服务整体工程。”张晓辉说。