現(xiàn)代科學(xué)，追求的是可測量的真實(shí)。毫厘之差，就是正確和謬誤的千里之別。“天神”對(duì)接、北斗導(dǎo)航、中微子刻度尺，這些科技重大成果向全世界宣布了新的“中國精度”。
一把“中微子刻度尺”，準(zhǔn)確測量出新的中微子振蕩幾率，完美展現(xiàn)了“中國精度” 2011年11月3日，在高精度測控的支持下，“神八”和天宮一號(hào)上演了“雙人舞”，標(biāo)志著我國成為繼蘇、美后第三個(gè)自主掌握自動(dòng)交會(huì)對(duì)接技術(shù)的國家目前，北斗系統(tǒng)定位精度由水平25米、高程30米提升為水平10米、高程10米;測速精度由每秒0.4米升至每秒0.2米。
CFP供圖
包為民
張柏楠
圖為大亞灣實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三號(hào)實(shí)驗(yàn)大廳
“天神”對(duì)接：萬里“穿針”
2012年6月18日中午，央視新聞?lì)l道播出了一段奇異的鏡頭。
畫面中呈現(xiàn)出一個(gè)劃著刻度的十字，如同射擊游戲里的瞄準(zhǔn)鏡一般正對(duì)前方。漆黑的背景里，一個(gè)圓柱形的機(jī)械裝置在“瞄準(zhǔn)鏡”的鎖定下緩緩靠近，身上同樣帶有十字，像個(gè)標(biāo)靶。
這個(gè)節(jié)目收視率頗高，億萬觀眾目不轉(zhuǎn)睛，屏息等待。
隨著一陣輕微晃動(dòng)，兩個(gè)十字嚴(yán)絲合縫地嵌在了一起。電視里傳出主播激動(dòng)的聲音：“神舟九號(hào)和天宮一號(hào)對(duì)接成功!”
屏幕上，航天員景海鵬豎起大拇指，劉旺緊握右拳，劉洋臉上露出燦爛的笑容。他們成為完成我國首次載人空間交會(huì)對(duì)接的英雄。
“與‘神八’任務(wù)相比，‘神九’與‘天宮’對(duì)接控制過程大致相同。但有了航天員的參與，對(duì)控制的精度和安全性要求更高。”北京航天飛行控制中心總師童斌表示。據(jù)了解，這次發(fā)生于數(shù)萬公里以外太空、兩個(gè)飛行器均以28000公里以上時(shí)速飛行情況下的對(duì)接，精度誤差不超過一毫米。這精準(zhǔn)的交會(huì)，為我國載人航天技術(shù)邁上新臺(tái)階提供了有力支撐。
近十年來，我國載人航天事業(yè)大步前行，留下了一個(gè)個(gè)堅(jiān)實(shí)的足跡。2003年10月15日，神舟五號(hào)飛船由長二F火箭托舉升空，楊利偉成為首位造訪太空的中國航天員，中華民族千年飛天愿望得以實(shí)現(xiàn);2005年10月，航天員費(fèi)俊龍、聶海勝搭乘神舟六號(hào)飛船在太空遨游115個(gè)多小時(shí)，完成了我國首次“多人多天”航天飛行;2008年9月，翟志剛、劉伯明、景海鵬三名航天員在太空中打開了神舟七號(hào)飛船的艙門，翟志剛身穿我國自主研發(fā)的航天服“飛”出艙外，成為我國“太空漫步”第一人……
按照我國載人航天工程計(jì)劃，接下來的空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)會(huì)對(duì)測控精度提出更高要求。中國電子科技集團(tuán)公司高級(jí)工程師陳建民表示，要在高速飛行狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)飛船和目標(biāo)飛行器對(duì)接，這對(duì)兩個(gè)飛行器的軌道、速度、姿態(tài)控制以及位置測量等方面的精度要求極高。稍有偏差，就可能把飛船拋向離目標(biāo)飛行器很遠(yuǎn)的地方，或是把浪漫的“太空之吻”變成可怕的“追尾”。
“‘神七’任務(wù)完成后，我們對(duì)地面站測控設(shè)備進(jìn)行了大改造，新的設(shè)備速度更快、測量精度更高，并能實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行測控。”他說。
在高精度測控的支持下，神舟八號(hào)飛船和我國首個(gè)目標(biāo)飛行器天宮一號(hào)于2011年11月3日，在萬眾矚目中上演了“雙人舞”，標(biāo)志著我國成為繼蘇、美后第三個(gè)自主掌握自動(dòng)交會(huì)對(duì)接技術(shù)的國家。
而在神舟九號(hào)任務(wù)中，我國相繼完成了自動(dòng)交會(huì)對(duì)接、分離以及手動(dòng)交會(huì)對(duì)接和分離。至此，我國已經(jīng)成功突破和掌握了載人天地往返、航天員空間出艙和空間交會(huì)對(duì)接三大載人航天基本技術(shù)，建立起完整的天地往返載人運(yùn)輸系統(tǒng)，為正在研制建設(shè)的載人空間站及其運(yùn)營系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。[page]
北斗銣鐘：300億年僅差1秒
2012年10月25日23時(shí)33分，我國第16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在長征三號(hào)丙火箭的托舉下呼嘯升空。隨著它在太空棋盤上落定，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)已全部完成，其在亞太地區(qū)的服務(wù)能力已經(jīng)跟美國GPS導(dǎo)航系統(tǒng)基本相當(dāng)。
十多年前，北斗的誕生實(shí)現(xiàn)了我國導(dǎo)航系統(tǒng)從無到有。近年來，它更是快速成長，完成了由“粗”到“精”的蛻變。
1994年，我國正式拉開了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的大幕。2000年10月31日和12月21日，北斗試驗(yàn)衛(wèi)星01、02星先后發(fā)射，創(chuàng)造性地利用兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ弧?003年12月15日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位試驗(yàn)系統(tǒng)正式開通運(yùn)行，成為繼美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)之后，全球第三個(gè)建成并投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。
此時(shí)，我國也已開始新一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的研制。
2004年，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程正式立項(xiàng)，各項(xiàng)工作全面啟動(dòng)，經(jīng)歷8年時(shí)間，完成了所有衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，形成了覆蓋亞太大部分地區(qū)的服務(wù)能力，精度達(dá)到10米以內(nèi)。
“與2011年試運(yùn)行時(shí)相比，北斗目前的服務(wù)能力又有了大幅提升。”北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其去年年底在國新辦舉行的發(fā)布會(huì)上表示，在2012年里，北斗系統(tǒng)發(fā)射了四箭六星，并采取了一系列的措施提高系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性，擴(kuò)展了系統(tǒng)覆蓋區(qū)域。其覆蓋區(qū)域由東經(jīng)84度至160度擴(kuò)展到東經(jīng)55度至180度;系統(tǒng)定位精度由水平25米、高程30米提升為水平10米、高程10米;測速精度由每秒0.4米升至每秒0.2米。
除組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量以外，導(dǎo)航定位的精度更是取決于系統(tǒng)的時(shí)間精度，衛(wèi)星上裝載的銣原子鐘便是保障時(shí)間精確的關(guān)鍵設(shè)備。
“上世紀(jì)六七十年代我們有原子彈，現(xiàn)在我們有了原子鐘。”中國航天科技集團(tuán)公司總經(jīng)理馬興瑞表示。
北斗系統(tǒng)建設(shè)之初，國內(nèi)缺乏銣原子鐘的研制經(jīng)驗(yàn)，為了增加可靠性，最初北斗衛(wèi)星裝載的銣鐘有2臺(tái)是國產(chǎn)，2臺(tái)從美國進(jìn)口。當(dāng)時(shí)進(jìn)口銣鐘的天穩(wěn)定度約為10-9秒，即每天誤差為十億分之一秒，高于國內(nèi)產(chǎn)品。經(jīng)過幾年的艱苦攻關(guān)，國產(chǎn)星載銣鐘的研制成功突破了國外技術(shù)封鎖，不但解決了長壽命設(shè)計(jì)、空間環(huán)境適應(yīng)性等問題，產(chǎn)品的天穩(wěn)定度更是進(jìn)入10-14量級(jí)，精度最高的產(chǎn)品大約每300億年的誤差僅為1秒，跟美國GPS最好的星載銣鐘技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)。
馬興瑞透露說，接下來航天科技集團(tuán)將全力推進(jìn)我國導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)第三步——北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制攻關(guān)工作，力爭在2014年左右發(fā)射首顆試驗(yàn)衛(wèi)星，以更好地驗(yàn)證全球系統(tǒng)建設(shè)中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。[page]
尋找第三種中微子振蕩：滄海覓一粟
科幻電影《星際迷航》里，神奇的“反物質(zhì)”為太空飛船提供了不竭動(dòng)力，讓科幻迷們心馳神往。2012年3月8日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國際合作組發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩,并測量到其振蕩幾率，在破解“反物質(zhì)之謎”的道路上邁出決定性的一步。
在這項(xiàng)中美合作開展的大型實(shí)驗(yàn)中，承擔(dān)著刻度系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、取數(shù)和物理分析工作的上海交大劉江來中微子團(tuán)隊(duì)做出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。他們用這把“中微子刻度尺”，準(zhǔn)確測量出新的中微子振蕩幾率，在這一世界性成果中展現(xiàn)了“中國精度”。
中微子是一種不帶電，質(zhì)量極其微小的基本粒子，有三種類型，占構(gòu)成物質(zhì)世界12種基本粒子的四分之一，在微觀的粒子物理和宏觀的宇宙起源及演化中扮演著極為重要的角色。它有個(gè)特殊的“脾性”，可以在飛行中從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，也就是人們所說的“中微子振蕩”。對(duì)中微子三種類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以形成三種振蕩，但科學(xué)家此前只發(fā)現(xiàn)了兩種，第三種振蕩是否存在，如何存在?這一直是物理學(xué)領(lǐng)域里的一個(gè)謎。
2003年，有專家提出利用我國大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子，尋找中微子的第三種振蕩。該方案最終得到采納。經(jīng)過數(shù)年準(zhǔn)備，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)于2011年12月24日開始進(jìn)行。
一直注重研究國際重大科學(xué)前沿問題的上海交大，在上海市科委的支持下成立了上海市粒子物理和宇宙學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，致力于微觀和宏觀世界最前沿的科學(xué)研究。劉江來的中微子團(tuán)隊(duì)就是該實(shí)驗(yàn)室的若干研究團(tuán)隊(duì)之一。
據(jù)介紹，中微子在探測器里反應(yīng)時(shí)會(huì)發(fā)光，能量越高，光就越多，因此通過觀測光的量可以計(jì)算出中微子的能量。然而，兩者之間并非簡單的倍數(shù)關(guān)系。劉江來團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中的任務(wù)，就是掌握其中的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
“測量首先要有標(biāo)準(zhǔn)，正如測長度需要尺子，稱重量需要砝碼。”劉江來介紹說，“刻度系統(tǒng)就是以幾種已知能量的放射源為標(biāo)準(zhǔn)，將其放入探測器，推算能量與光之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。”
這套刻度系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)?zāi)芰烤_測量的關(guān)鍵之一。為盡量減小誤差，該團(tuán)隊(duì)客服了重重困難。由于中微子與物質(zhì)相互作用極微弱，不易直接測量，本次實(shí)驗(yàn)采取的方法是讓中微子與探測器內(nèi)的質(zhì)子反應(yīng)，產(chǎn)生中子和正電子，再通過探測中子和正電子來間接測量中微子。因而中子探測效率的精確測量直接關(guān)系到中微子探測的準(zhǔn)確性，是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的誤差控制當(dāng)中最重要的環(huán)節(jié)之一。為此，該團(tuán)隊(duì)對(duì)中子探測效率進(jìn)行了細(xì)致的研究。
同時(shí)研究人員還發(fā)現(xiàn)，刻度系統(tǒng)所使用的放射源即使在完全保護(hù)的情況下，也會(huì)在探測器中產(chǎn)生少量虛假的疑似中微子信號(hào)，所占比例不到0.1%。即便是這么一點(diǎn)“雜質(zhì)”，劉江來團(tuán)隊(duì)也沒有放過。他們對(duì)這部分疑似信號(hào)的量進(jìn)行了計(jì)算，其結(jié)果最終被列入大亞灣合作組公布的官方數(shù)據(jù)。另外他們還獨(dú)立計(jì)算了宇宙射線帶來的部分疑似信號(hào)，很好地驗(yàn)證了合作組其他成員的分析結(jié)果。
大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布后，在國際上引起了熱烈反響。英國《自然》雜志在線版以《對(duì)中微子震蕩的創(chuàng)紀(jì)錄式精密測量》為題，發(fā)表文章稱：“幽靈般的亞原子中微子，從一個(gè)形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一個(gè)形態(tài)——即中微子振蕩的幾率，這個(gè)曾經(jīng)可望而不可及的參數(shù)，現(xiàn)已被首次精確地測量。”[page]
■專家展望
神舟十號(hào)年中發(fā)射 天宮二號(hào)正積極研制
每次神舟飛船的發(fā)射都有新的突破，神十什么時(shí)候發(fā)射?將肩負(fù)著什么新使命?中國航天科技集團(tuán)第五研究院，載人飛船系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師張柏楠代表說：“神舟十號(hào)的發(fā)射時(shí)間窗口為今年6到8月份，到時(shí)將根據(jù)具體情況確定。”他說，神舟十號(hào)的任務(wù)和以前最大的區(qū)別是，這是神舟飛船第一次進(jìn)行應(yīng)用性飛行。所謂應(yīng)用性飛行，有些類似美國航天飛機(jī)和俄羅斯聯(lián)盟飛船，就是執(zhí)行正常運(yùn)輸任務(wù)。神舟飛船已經(jīng)基本定型，神舟十號(hào)沒有新的大的技術(shù)變化，只做了一些小調(diào)整。
天宮一號(hào)將會(huì)有怎樣的“繼任者”，對(duì)此，張柏楠表示：“天宮二號(hào)的任務(wù)和最終要建立起來的空間站結(jié)合得更緊密，科學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目也更多，正在積極開展研制。按計(jì)劃，2020年前后我們要發(fā)射空間站，天宮二號(hào)肯定要在這之前上天。”他說，2011年9月份發(fā)射的天宮一號(hào)，設(shè)計(jì)壽命兩年。作為軌道飛行器，天宮一號(hào)任務(wù)一旦結(jié)束會(huì)按國際慣例做主動(dòng)離軌，返回到大氣層燒掉。從目前看，天宮一號(hào)狀態(tài)非常好，推進(jìn)劑剩余量還相當(dāng)多，設(shè)備狀態(tài)也很好。
“完成與神舟十號(hào)的交會(huì)對(duì)接以及科學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目后，天宮一號(hào)的后續(xù)任務(wù)將進(jìn)行評(píng)估研究，看怎么能最大限度發(fā)揮效益。”張柏楠說。
北斗：為一期工程“護(hù)網(wǎng)” 為二期工程“畫網(wǎng)”
“如果說此前我們是在為北斗一期工程‘織網(wǎng)’，那么今年的主要工作就是為該系統(tǒng)‘護(hù)網(wǎng)’，以及為今后的北斗二期工程‘畫網(wǎng)’。”全國政協(xié)委員、中國航天科技集團(tuán)公司科技委主任包為民介紹說。
經(jīng)過連續(xù)三年的密集發(fā)射，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)完成，已正式向亞太及周邊地區(qū)提供連續(xù)、穩(wěn)定的區(qū)域?qū)Ш椒?wù)，導(dǎo)航精度達(dá)到10米左右，測速精度在每秒0.2米左右，技術(shù)指標(biāo)基本與GPS持平。至此，北斗系統(tǒng)一期工程畫上了圓滿的句號(hào)。
“今年沒有北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，主要工作是保證在軌衛(wèi)星的運(yùn)行安全可靠，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定提供導(dǎo)航服務(wù)做好保障。”包為民說。他表示，為了增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，未來該系統(tǒng)還將在原有基礎(chǔ)上布局幾顆備份衛(wèi)星。備份星的技術(shù)狀態(tài)梳理、可靠性提升、元器件更換以及單機(jī)生產(chǎn)等問題均已提上日程。
按照北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)“三步走”的發(fā)展規(guī)劃，北斗二期工程即全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前也已正式啟動(dòng)。“為二期工程‘畫網(wǎng)’，也是北斗團(tuán)隊(duì)今年的重要工作。”包為民說，“必須把‘網(wǎng)’畫好，基礎(chǔ)打牢，才能確保后續(xù)工作按計(jì)劃有條不紊地展開。”
他認(rèn)為，北斗系統(tǒng)一期、二期工程必須有效銜接，不能斷開，同時(shí)該系統(tǒng)的應(yīng)用推廣工作也需齊頭并進(jìn)。據(jù)介紹，北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)首顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃于2014年左右實(shí)施發(fā)射，以更好地驗(yàn)證全球系統(tǒng)建設(shè)中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)航天科技集團(tuán)公司將積極推動(dòng)北斗應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)化工作，促進(jìn)北斗芯片和模塊的研發(fā)，努力使天邊的北斗盡快“接上地氣兒”，在百姓日常生活中發(fā)揮作用。[page]
■創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)
空間技術(shù)成果端上餐桌
中國載人航天工程新聞發(fā)言人近日宣布：我國將于今年實(shí)施天宮一號(hào)與神舟十號(hào)載人飛行任務(wù)，開展載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)首次應(yīng)用性飛行。全國政協(xié)委員、中國載人航天總工程師周建平則在兩會(huì)召開前夕透露：神舟十號(hào)任務(wù)之后，我國載人航天工程將進(jìn)入空間站建造階段。
在許多人聽來，這些話題仿佛遙不可及。實(shí)際上，隨著我國載人航天工程穩(wěn)步推進(jìn)，不但拉動(dòng)了眾多高新技術(shù)飛速發(fā)展，同時(shí)也早已滲透到人們?nèi)粘Ｉ钪小?/p>
全國政協(xié)委員、中國航天科技集團(tuán)公司科技委主任包為民表示，我國載人航天工程實(shí)施20年來，除突破和掌握載人航天一系列關(guān)鍵技術(shù)外，還有力推動(dòng)了能源、信息、控制等領(lǐng)域的發(fā)展，帶動(dòng)了電子、材料、制造、化工、冶金、紡織多個(gè)行業(yè)的工藝創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)提升，形成了巨大的拉動(dòng)和輻射效應(yīng)，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了突出貢獻(xiàn)。
據(jù)了解，近年來我國研制的1100多種新材料中，大約80%是在空間技術(shù)的牽引下研制而成。同時(shí)，集衛(wèi)星通信、特種探測、仿真技術(shù)等于一體的“智慧城市”，面向重大賽事、活動(dòng)的智能安保系統(tǒng)，針對(duì)超高建筑的高層樓宇滅火系統(tǒng)，有效防止偷漏稅的增值稅發(fā)票防偽稅控系統(tǒng)，以及氣象預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)等，均離不開航天科技的貢獻(xiàn)。
許多通過航天育種培育的農(nóng)產(chǎn)品，也早已端上了千家萬戶的餐桌。航天育種是指利用空間環(huán)境中宇宙輻射、微重力和弱地磁場等多種因素，誘使農(nóng)業(yè)生物遺傳變異，再通過嚴(yán)格的地面選育獲得優(yōu)良農(nóng)作物品種的過程。我國從1987年開始探索航天育種至今，共有20多次利用返回式衛(wèi)星和神舟飛船，搭載了上千種作物種子、試管苗、生物菌種和材料，獲得了大量產(chǎn)生變異的新性狀品種。目前我國擁有經(jīng)過太空搭載的農(nóng)作物共計(jì)九大類393個(gè)品系，育成并通過國家或省級(jí)鑒定的新品種達(dá)到70多個(gè)。
此外，航天科技中的液氣分離、食品脫水、衛(wèi)星通訊等成果，應(yīng)用到生活中就有了尿不濕、方便面蔬菜包、運(yùn)動(dòng)鞋和衛(wèi)星電視等產(chǎn)品。
“目前已有近2000項(xiàng)空間技術(shù)成果移植到國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，在服務(wù)于百姓生活的同時(shí)，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。”包為民表示。(付毅飛)
{{item.content}}