三代四型、有方有圓、大小不一、輕重各異……在國防科技大學智能科學學院的實驗室里，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)造復雜，不同地區(qū)的重力系數(shù)相差甚大。在該團隊負責人吳美平教授看來，“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”，從而導致導彈偏離預定落點幾百米甚至上千米，或者影響潛艇的導航性能與戰(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)試設備，冬天裹著被子推導公式，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森帶領老一輩專家在各部件加工精度有限的情況下，成功研制出導彈的故事。他們瞄準研制“中國芯”的新方向——優(yōu)化系統(tǒng)設計與算法。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，反反復復分析每一個測試數(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，應丹麥技術(shù)大學的邀請，吳美平教授帶領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，更是在全國此領域開了先河。

“在南極高緯度和極低溫的環(huán)境條件下，慣導系統(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?”縱然對自家的設備信心滿滿，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，保證了科考任務的順利完成。

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，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)在南極的應用示范，對拓展自主載荷應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的命令——15年后我國重啟珠峰“身高”測量，舉世矚目。

深知任務的重要性，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，大家趕緊從重力設備中導出測得的數(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)

關鍵詞： “CT儀”