三代四型、有方有圓、大小不一、輕重各異……在國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院的實驗室里，藏著這樣一批神秘的“鋁匣子”。在外人看來，這些帶著藍色屏幕的“鋁匣子”長相古怪，不知做何用途。懂行的人知道，它填補了中國國產(chǎn)重力儀研發(fā)的空白，使我國成為繼俄、美、德之后第四個研制出捷聯(lián)式航空重力儀的國家。
這些被稱為“地球CT儀”的重力測量“神器”，由一支成立時平均年齡不到31歲的年輕科研團隊，耗費17年時間自主研發(fā)而成。它的誕生，為中國核心重力測繪裝備的國產(chǎn)化開辟了嶄新天地。
打破壟斷：“五年內(nèi)攻下這個山頭”
9.8N/Kg，這是人們對重力系數(shù)的常規(guī)認知。但實際上，由于地表構(gòu)造復(fù)雜，不同地區(qū)的重力系數(shù)相差甚大。在該團隊負責(zé)人吳美平教授看來，“精確的重力信息分布圖已成為國家重要戰(zhàn)略資源，沒有自己的重力信息分布圖，遠程精準打擊就無從談起。”
繪制精確的重力信息分布圖，就像給地球拍“CT”，微小的重力誤差極可能引起“誤診”，從而導(dǎo)致導(dǎo)彈偏離預(yù)定落點幾百米甚至上千米，或者影響潛艇的導(dǎo)航性能與戰(zhàn)略隱蔽能力。
隨著科技的發(fā)展，精確的重力信息分布圖對國家安全的重要性與日俱增。而圍繞軍用重力測量領(lǐng)域的技術(shù)博弈與封鎖也頻頻上演。2003年以前，我國對國內(nèi)地形復(fù)雜的區(qū)域進行重力測量，只能依賴進口的高精度重力儀。而一臺重力儀，往往要花費數(shù)百萬元甚至上千萬元。由于重力信息敏感，一旦儀器出現(xiàn)小故障，無法返修，只能直接報廢。與造成巨額的經(jīng)濟損失相對比，更讓人無奈的是“有錢都買不到”。于是，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度航空重力儀的需求呼之欲出。2005年，國家863計劃將此目標列入項目名單，并在全國范圍內(nèi)尋找研發(fā)機構(gòu)。
“五年內(nèi)攻下這個山頭!”時任自動控制系副主任的吳美平教授，帶著一支年輕的6人隊伍，接下了這塊難啃的“硬骨頭”。項目申請成功后，大伙兒馬不停蹄，投入到緊張的研發(fā)之中。一間不足20平米的房子，成為了他們簡陋的實驗室。夏天光著膀子調(diào)試設(shè)備，冬天裹著被子推導(dǎo)公式，實驗室的燈光常常從早上亮到早上，焊接儀器燒壞的電路板也在角落里堆了一摞。第一年，吳美平教授就瘦了20斤，妻子抱怨：“雖然家就在學(xué)校門口，卻像是兩地分居。”
功夫不負有心人，3年后，第一代捷聯(lián)式航空重力儀試驗樣機終于誕生了!在距東海海平面400米高的飛機上，當航空重力儀的顯示屏上出現(xiàn)了一條條變動的函數(shù)曲線時，大家心里那根緊繃的弦，終于可以松一松了。這臺試驗樣機，成功測出了我國自主研發(fā)重力儀的第一批重力數(shù)據(jù)，內(nèi)符合精度達到5mGal/10km。
逆境趕超：“在顛簸中測出頭發(fā)絲1/100的位移”
數(shù)據(jù)測出來了，可吳美平團隊的“野心”遠不止于此，他們把目光投向了更高的“山峰”——提高測量精度和空間分辨率。
于是，第二道坎又擺在了眼前。離樣機中期驗收的時間僅有1個月了，可樣機測算數(shù)據(jù)距預(yù)想指標還遙遙無期，每個人的心情又沉重起來。
“基于國產(chǎn)器件不可能研制出高精度重力儀。”吳美平團隊決心向一些專家的論斷發(fā)起挑戰(zhàn)。吳美平教授給大家講錢學(xué)森帶領(lǐng)老一輩專家在各部件加工精度有限的情況下，成功研制出導(dǎo)彈的故事。他們瞄準研制“中國芯”的新方向——優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計與算法。一行行實驗數(shù)據(jù)、一條條測試曲線、一份份實驗測試方案……項目組成員聚在實驗室里研究、分析、討論，幾乎沒有周末。近半米高的文字資料和實驗數(shù)據(jù)擺滿案頭，他們逐字逐句對比每一份資料，反反復(fù)復(fù)分析每一個測試數(shù)據(jù)。這個從0到1的過程，也把團隊成員逼成了“多面手”，“搞電氣的得懂機械設(shè)計和軟件流程，做機械的得明白電氣走線和濾波算法。”
用國產(chǎn)傳感器在飛機飛行中測出10-6g量級的微弱重力異常，其難度相當于在顛簸的車輛中去測車內(nèi)設(shè)備一根頭發(fā)絲1/100的位移，這可能嗎?完全可能!當他們將國產(chǎn)加速度計安裝到優(yōu)化設(shè)計了的儀器中，測出了比傳感器出廠精度指標還要高的精度時，連生產(chǎn)廠家都無法置信，“這相當于用卷尺測出了游標卡尺的精度。”
千淘萬漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金。2009年，團隊終于研制出第一代具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的捷聯(lián)式航空重力儀工程樣機——SGA-WZ01，精度達到了1.5mGal/5km，這標志著我國成為繼俄、美、德之后第四個研制出捷聯(lián)式航空重力儀的國家。
2012年8月，應(yīng)丹麥技術(shù)大學(xué)的邀請，吳美平教授帶領(lǐng)3名團隊骨干，攜帶SGA-WZ01飛赴丹麥，參加北極格陵蘭島航空重力聯(lián)合科學(xué)實驗，這是我國自主研發(fā)的重力儀在國際舞臺上的“首秀”。令人驕傲的是，這臺“獨苗”不負眾望，完美完成8個架次7500km的飛行試驗。
當電腦屏幕上顯示出飛行試驗重力數(shù)據(jù)初步處理結(jié)果的一瞬間，歡呼聲沸騰起來，國際測地協(xié)會副主席Rene Forsberg教授也微笑著豎起了大拇指：“這才是真正意義上的航空重力測量儀器。”
挑戰(zhàn)極限：向南極與珠峰進軍
2019年11月17日，兩套新型捷聯(lián)式重力儀被封裝進“雪龍?zhí)?rdquo;科考船的大艙。它們將與吳美平團隊的曹聚亮研究員一起，橫跨半個地球，直抵南極中山站，加入我國第36次南極科學(xué)考察隊固定翼飛機隊。
此次攜帶自主研制的重力儀挺進南極，不光是全?？蒲袌F隊首次南極科考，更是在全國此領(lǐng)域開了先河。
“在南極高緯度和極低溫的環(huán)境條件下，慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準精度下降，自研的捷聯(lián)式重力儀精度和可靠性如何，能否順利完成測量任務(wù)?”縱然對自家的設(shè)備信心滿滿，但一想到即將面對的是南極特殊的地理位置和惡劣的氣候環(huán)境，曹聚亮心里難免捏了把汗。
試驗伊始，就遇上了電源不足的問題。出于安全考慮，重力儀在飛行過程中不接入飛機機載供電系統(tǒng)，只能用自帶電源?？?ldquo;一旦開啟實驗，設(shè)備不能斷電，而攜帶的UPS不間斷電源在低溫下僅能夠續(xù)航5個小時，飛機一架次8個小時，剩下的3個小時去哪里找電源呢?”
思來想去，曹聚亮找到解決之道——改裝UPS。在隊友的協(xié)助下，他將UPS充放電回路分開，提高供電效率，現(xiàn)場制作了一個24V/100AH的超級“充電寶”，充滿電后可保證重力儀工作10h以上，解決了實驗電源不足的問題。
可飛行試驗期間，機載的測冰雷達又出了故障，功放報警，信號無法發(fā)射出去。飛行高度不斷攀升，高原反應(yīng)也愈加劇烈，精通電氣系統(tǒng)的曹聚亮只能一邊吸著氧氣，一邊定位故障原因并進行臨時性修復(fù)，保證了科考任務(wù)的順利完成。
就這樣，在長達3個月的南極科考期間，曹聚亮超額完成捷聯(lián)式重力儀的各項測量任務(wù)，首次成功獲取了南極伊麗莎白公主地、埃默里冰架區(qū)域的第一手重力場數(shù)據(jù)。這是我國自主研制的航空載荷首次實現(xiàn)在南極的應(yīng)用示范，對拓展自主載荷應(yīng)用和提升我國南極考察監(jiān)測能力有重要的意義。
2020年初，在海上漂泊了43天，曹聚亮終于回到了上海，正趕上國內(nèi)疫情肆虐，他被滯留在了上海隔離。隔離期滿的前一天，5個月未歸家的他，又接到保障捷聯(lián)式航空重力儀珠峰測量任務(wù)的命令——15年后我國重啟珠峰“身高”測量，舉世矚目。
深知任務(wù)的重要性，第二天，本該飛回長沙的曹聚亮，二話沒說坐上了前往拉薩的班機。
5月的珠峰北坡，白雪皚皚。2020珠峰高程測量登山隊隊員攜帶雪深雷達、地面重力儀等儀器設(shè)備向最高點攻頂。
搭載吳美平團隊自主研制的捷聯(lián)式航空重力儀的“航空地質(zhì)一號”飛機，在珠穆朗瑪?shù)貐^(qū)1萬米高空像犁地一樣沿著事先設(shè)計好的線路飛行并獲取空間重力數(shù)據(jù)時，日喀則機場的停機坪上，現(xiàn)場工作人員也在耐心等待著飛機的降落。每飛完一個架次，趁著飛機落地休整空隙，大家趕緊從重力設(shè)備中導(dǎo)出測得的數(shù)據(jù)。
“對取回的測量數(shù)據(jù)進行初步處理分析后，我們得出了兩張珠峰重力模型圖。”指著電腦上兩張看起來一模一樣的區(qū)域重力場分布圖，曹聚亮說：“這兩張圖的數(shù)據(jù)一張由我們的航空重力儀測出，另一張由國外最先進的同類裝備測出。你看，測量結(jié)果基本一致。”這意味著，在極限環(huán)境中，吳美平團隊所研發(fā)的捷聯(lián)式重力儀性能與國際最先進的同類裝備已不相上下。(本報記者 劉小兵 本報通訊員 龔儀 焦西凱)
