總設計師艾長春：“悟空”火眼正看到宇宙新貌

艾長春

 中國科學衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空已有兩年零3個月。“悟空”是目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最高的暗物質粒子探測衛(wèi)星，超過國際上同類探測器，作為我國的重大科技攻關項目，還被寫進了去年的黨的十九大報告。

運行兩年多來，“悟空”共搜尋出100多個異常電子，首次直接測量了電子宇宙射線的一處劇烈波動。這一神秘訊號，讓暗物質研究更進一步。暗物質粒子探測衛(wèi)星工程（“悟空”）總設計師艾長春從事航天事業(yè)已有50余年，他也是中國航天事業(yè)輝煌60年的見證者和參與者。近日，他向記者講述了“悟空”背后的故事。

今年76歲的艾長春滿頭銀發(fā)，精神矍鑠，走起路來比小伙子還要快。盡管悟空號在軌運行已經有兩年多時間，但作為工程總師的艾長春卻極少出現在媒體視線中，他一直出奇地低調。即便就“悟空”的科研成果舉行發(fā)布會，更多出現在鏡頭前的也是“悟空”首席科學家常進。

“悟空”飛天兩年依然100分

艾長春常掛在嘴邊的一句話是，要把更多機會留給年輕人。常進比他小20多歲，算是“年輕人”。在“悟空”研制過程中，兩人合作非常融洽，各司其職。“他精力旺盛，有闖勁和創(chuàng)新精神，我要多向他學習，支持他的工作。”艾長春說，他從項目一開始就建議，暗物質探測衛(wèi)星“兩總”要定期與首席科學家溝通，讓首席科學家有更大的發(fā)言權。

“悟空飛天‘取經’這兩年，我做的工作很少，因為衛(wèi)星在軌運行狀態(tài)很好。”艾成春笑著說。2016年3月，“悟空”飛天3個月后，中科院國家空間科學中心組織專家對衛(wèi)星進行在軌測試總結評審，當時給出的指標評定為“100分”。如今，悟空號在軌兩年多，探測器性能依然是100分的狀態(tài)。

悟空號可以對5GeV到10TeV之間的電子、伽馬射線實現“經濟適用型”觀測。如何理解？1GeV是10億電子伏特，1TeV是1000GeV，即1萬億電子伏特。拿人眼來做類比，后者所能接收到最敏感的可見光能量，僅僅為2電子伏特。悟空號平均每秒就能“捕捉”60個高能粒子，相當于平均每天500萬個高能粒子。而中國的暗物質粒子探測衛(wèi)星的成本遠遠低于國際上同類探測器。

我國成功發(fā)射暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”號。（CFP供圖）

“再重的擔子也要扛下”

1960年，年滿18周歲的艾長春剛在鄭州市回民中學讀完高中二年級，就被一所軍事技術學校特招為第一批學員。他起初被告知要支援西部邊疆，然而卻在1961年被安排到航天機關當參謀。

在機關工作沒空讀書，艾長春就報了北京航空學院夜校，白天工作、晚上學習，用4年時間學習了電子技術專業(yè)的大學課程。后來，他所學的這些課程終于發(fā)揮了作用。從1970年發(fā)射第一顆東方紅衛(wèi)星，到1975年發(fā)射第一顆返回式衛(wèi)星，到1980年發(fā)射氣象衛(wèi)星，他基本上都參與過這些衛(wèi)星發(fā)射的相關工作。

艾長春一輩子都在干航天事業(yè)。在擔綱“悟空”工程總師之前，他曾擔任過兩顆衛(wèi)星的工程總師。而與“悟空”結緣，則純屬巧合。他說，在“悟空”發(fā)射之前，我國未曾發(fā)射一顆空間科學衛(wèi)星。

即便在航天領域摸爬滾打了40余年，2011年，當中科院邀請他出任暗物質粒子探測衛(wèi)星工程總師時，他還是很忐忑，心里一點底也沒有，因為這顆衛(wèi)星帶有太多“第一次”：中科院第一次主持衛(wèi)星大工程，微小衛(wèi)星工程中心第一次承擔超過1000公斤的衛(wèi)星研制；國內第一次研制以載荷為中心的一體化結構的衛(wèi)星。

而更大的壓力則在于，一旦接受這個任務，就只能成功，不能失敗。在接觸悟空號之前，艾長春主要從事應用衛(wèi)星的研制。而像“悟空”號這樣的科學衛(wèi)星，從事的是空間科學研究，屬基礎科學研究范疇，就是要搶占第一科學發(fā)現，科學發(fā)現只有第一，沒有第二。

也就是說，如果你沒有世界公認的科研成果產出，任務就算失敗了。“大家都在做同一件事，你沒有在第一時間得到世界認可的科學發(fā)現，那么你過去所有的努力基本上都是沒有意義的。”

思考了一段時間，他決定扛下這副重擔。“再重的擔子也要扛下。雖然壓力巨大，但我有責任擔起這個擔子，它承載著幾代航天人的夢想。”

從業(yè)50年來最棘手的項目

“悟空”是中科院空間科學戰(zhàn)略先導專項的五顆衛(wèi)星任務之一，它由一個塑閃陣列探測器（PSD）、硅陣列探測器（STK）、電磁量能器（BGO）和中子探測器組成。

“悟空”通過探測高能宇宙射線粒子，包括各種元素的原子核、電子、伽馬射線等粒子，來尋找暗物質湮滅或衰變后留下的蛛絲馬跡。“悟空”升空以來，每天繞地球飛行15圈，平均每秒鐘獲得60個高能粒子，每天獲得500萬個高能粒子，至今已探測到探查40億個宇宙高能粒子。

其實，早在13年前，艾長春還沒接手暗物質探測衛(wèi)星的擔子時，他的搭檔，彼時擔任中科院紫金山天文臺副臺長的常進便開始研究如何“捕獲”暗物質。

那是2005年，中美聯合在南極進行了一場空間探測實驗。在當時的實驗中，常進所使用的探測器發(fā)現了一個奇怪的現象：有一個能量段，大家都認為其計數率應該“下降”，但結果卻顯示為“超出”，也就是不降反增了。

當時，常進就心想，這是不是跟暗物質有關？他有了一個想法：如果能做一個大型探測器放到衛(wèi)星上，就能確定這些奇怪的東西是不是暗物質湮滅產生的高能粒子。

當擔子真正落在肩上時，艾長春才感到任務的艱巨。他毫不諱言，這是他從事航天事業(yè)50年來最棘手的項目。

在擔任總工程師的頭一年，艾長春幾乎沒有睡過一個好覺。他把所有載荷研制單位走了一遍。中科院上海微小衛(wèi)星中心之前沒有做過超一噸重的衛(wèi)星，艾長春就培養(yǎng)隊伍，邀請擔任繞月探測工程、嫦娥一號衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮兼總設計師的葉培建院士開設工程技術骨干培訓班，提高工程師隊伍水平。

“BGO”的晶體量能器是悟空號身上最核心和最重的部分。在項目論證階段，有專家提出，這個能量器太重了，能不能換個輕一點的。艾長春的團隊態(tài)度堅決，必須要用重一點的,這樣才有可能趕在外國人之前發(fā)現暗物質。“科學發(fā)現有時就是要搶機會，你落在別人后面發(fā)現的東西，可能你之前的努力都白費了。”

艾長春（左一）和常進（右二）在任務大廳討論。

每次“拍板”都捏一把汗

“悟空”是一個系統(tǒng)工程，每一步都需要工程總師“拍板”。每一次“拍板”，艾長春都承擔著常人難以想象的壓力。

在“悟空”出廠前，艾長春就遇到了一個挑戰(zhàn)。“悟空”包含73728個精密的硅微條探測單元，每路硅微條只有一根頭發(fā)絲粗細，并且不能裝錯。“悟空”出廠時，有337個硅微條探測單元失效，占總數的0.46%。雖然技術上要求在失效率低于2%就可以出廠，但工程人員擔心，接下來會不會有更多的探測單元失效？那樣的話可就達不到出廠要求。

“當時我面臨抉擇，簽字，就意味著要負責任。當時已經快到10月份了，距離衛(wèi)星發(fā)射只有兩個月時間。”艾長春揮舞著雙手，似乎回到了那段激情燃燒的歲月。

他和常進商量后，常進認為，天上的環(huán)境條件要比地上好，失效的單元有可能會恢復。排查硅探測器會拖慢發(fā)射進度。艾長春最終在文件上簽字，決定衛(wèi)星出廠，運往發(fā)射基地，照常發(fā)射。

果然，在“悟空”發(fā)射3個月后，硅陣列探測器的失效探測單元降到118個，有219個恢復正常，印證了常進的判斷。常進至今回憶起這一幕仍對艾長春深表敬佩。“艾總真是敢負責任、敢擔當。如果當時停下來排查硅探測器，不光可能產生新的問題，衛(wèi)星的發(fā)射也至少要延期4個月。”

考驗還未結束。2015年12月，酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地，“悟空”在距離發(fā)射不到兩個星期時的聯合測試中又出現一些小故障，衛(wèi)星能否按計劃發(fā)射需要慎重決策。最終，在綜合各方意見評判后，艾長春拿定主意，同意火箭仍然在12月17日發(fā)射。

這種重大決斷，艾長春并不是頭一回遇到。“發(fā)現問題不可怕，把問題解決在火箭點火之前就好。”艾長春說，那段時間真是操碎了心，吃飯、睡覺、走路都在想“悟空”，甚至做夢都在想“悟空”。因為壓力太大，他曾經連續(xù)3天沒有睡覺。

2015年12月17日，當“悟空”發(fā)射成功時，熱淚盈眶的艾長春和常進擁抱在一起，這對老戰(zhàn)友4年多沒日沒夜工作，付出總算沒有白費。“悟空的成功發(fā)射，艾總起到非常重要的作用，他利用多年的航天組織和建設經驗為‘悟空’工程提供了主要的頂層設計，協調各大系統(tǒng)，確保了工程的成功。”常進說。

第二批科研成果年底出爐

回憶起“悟空”從開始研發(fā)到現在7年多經歷，艾長春將成功經驗總結為20個字——擔當服務、著眼大局、抓住關鍵、綜合平行、協調發(fā)展。“工程總師在面對工程的重大問題時要勇于承擔責任。”在采訪中，艾長春反復強調著這句話，回憶起悟空研制過程中的種種曲折與艱險，他感慨萬千。

艾長春回憶說，當初設計暗物質衛(wèi)星曾經有兩個方案，一個方案是將1415公斤的探測器放在一個現成的衛(wèi)星上面，衛(wèi)星的總重將超過3噸，換用更大型號火箭發(fā)射，費用就要增加6000萬元；另一個是以載荷為中心設計方案，僅增加400多千克就可實現完整的衛(wèi)星功能，使得載荷與整星的質量比達到了73%。

“以前中國科學家只能將研制的儀器搭載在其他衛(wèi)星上開展空間科學研究。以載荷作為主體，熱控件、電源、結構件等服務系統(tǒng)圍繞載荷進行設計，這是我國衛(wèi)星第一次采用此種設計，這種設計在世界上也是罕見的。”艾長春說。

如今，“悟空”已在軌飛行兩年多時間，衛(wèi)星工作十分穩(wěn)定，數據質量優(yōu)異。去年底，暗物質粒子探測衛(wèi)星的成果在《自然》雜志發(fā)表，讓艾長春倍感欣慰�？蒲腥藛T成功獲得了目前世界上最精確的高能電子宇宙線能譜，引起了學術界的高度關注。

“悟空”衛(wèi)星獲取的數據還可以廣泛地用于宇宙射線和高能天體物理的研究，為人類理解宇宙中極端條件天體和激烈活動現象等提供幫助。借助“悟空”的“火眼金睛”，我們可以看到宇宙的新面貌。“團隊這么多年的辛勤付出總算沒有白費，但還不能松口氣，硬仗還在后面。”

新的一年，艾長春的團隊又為“悟空”定下全新的“小目標”：新的一年，衛(wèi)星在繼續(xù)積累高能電子、伽馬射線探測數量的同時，會把收集和分析重點放到50TeV以上的超高能宇宙線粒子上來，力求盡快解開宇宙中的粒子加速之謎。“悟空”第二批成果預計今年年底出爐，艾長春和他的伙伴們對此也充滿期待。