“天宫一号”里的近红外光谱仪

近红外光谱分析技术就是利用激光给分子进行“拍照”，用于分子的识别，因其应用领域广泛而成为世界各国军事、民用科研的尖端科目。在中国，一群勇于创新的科学家运用这项技术解决了在轨航天器有害气体检测难题，还把“驾驭”激光消除有害物质作为最新科研项目，使我国在自主控制激光这一领域达到世界先进水平。南开大学现代光学研究所的刘伟伟，就是这群科学家的领军人。

光谱仪搬进太空舱宇航员生命安全更有保障

2011年9月29日21时16分3秒，我国第一个目标飞行器和空间实验室“天宫一号”在酒泉卫星发射中心发射，飞行器由实验舱和资源舱构成，我国自主研发的“全光纤近红外光谱仪”就安放在这里。

“它能随时检测在轨航天器里的空气成分，当场获得检测结果，保障宇航员舱在内能够安全地活动并展开航天科学任务。”见到刘伟伟时，他正从实验室出来，虽然初次见面寒暄不多，可一说起自己和全课题组的科研成果，刘伟伟立马打开了话匣子。

“载人航天最重要的一项指标是保障航天员的舱内安全，其中有害气体的检测极为关键，如何及时发现有害气体，也一直是国际宇航界的难题。”刘伟伟团队研发的“全光纤近红外光谱仪”的原理就是用光学的手段对太空舱里空气中的各种成分进行区分和分析判断，及时发现有害气体。

为什么太空舱里会产生有害气体呢?原来，“天宫一号”的太阳能电池翼、电源分系统的所有设备、导航与制导系统中6个控制力矩陀螺都在资源舱内，其中还包括飞行器的燃料。“设备的电线外皮材料受热，动力燃料、制冷剂等的泄漏都会导致舱内有害气体增加。”刘伟伟告诉北方网新媒体记者，“‘天宫一号’又是密闭空间，舱内如果出现有害气体不能及时发现的话，可能会直接威胁舱内人员的生命安全，后果不堪设想。”

“传统的方法是定时对空气进行采样检测，一般要几小时甚至几天才能得出结果，可是空气是随时在变化的，几个小时之后，成分就可能大不一样。”刘伟伟继续介绍，而光谱分析方法可以远程控制激光，完全不需要进入现场采样，也能当场获得检测结果，“如果真的发现有害气体，宇航员也能第一时间获得信息，与资源舱及时进行分离。这比传统的大气采样更及时更精确，也更能保障宇航员在舱内的安全。”

夜以继日在我国载人航天事业的征程上不掉队

其实，用光学手段分析大气成分、进行大气污染监测并不是一个新鲜事物，在地面很容易就能实现，可要是把光谱仪“搬上”太空，情况就跟在地面上完全不同了。

“由于航天项目的特殊性，必须考虑舱体大小、考虑机器的重量和能耗，而且太空里只有一个光源。”毫无疑问，摆在刘伟伟面前的是一个大难题，“其实以前在美国和俄罗斯的载人航天器里，都发生过燃料泄露的事故，导致宇航员昏迷，国外一些航天技术发达的国家已经开始研究了，中国要发展太空事业，不能没有这个东西。”于是2009年，“天宫一号”太空舱有毒气体监测的科研项目在南开大学现代光学研究所诞生了。

研究能搭载在太空舱里的光谱仪，方向是明确的，但路怎么走，没人知道，刘伟伟他们真正是从零起步。“因为这个东西没有经验可鉴的，人家美国俄罗斯没有资料给你，我们就是尝试各种方法，用过各种材料，把光线、电路、机械各个方面的数据都先精确地演算出来，按照预定的进度一步一步推进，最大限度减少失败的次数，应该说，是不能有失败。”

随后的两年里，刘伟伟和课题组的成员常常是一天当作两天用，每天的工作结束了，也就是迎着晨曦回家吃饭的时候。“整个团队几乎一天都没有歇过，为了一次顺利测试，一夜之间可以往返北京和天津两趟。”

经过无数次的比对和试验，刘伟伟和同事们创造性地提出了基于微纳结构新型材料的光谱检测技术在载人航天工程上应用的方案，成功解决了在轨有害气体检测多组分、高灵敏度的在线测量性能需求与体积小、重量轻、功耗低的苛刻空间环境适应性要求之间的矛盾，这也是目前国际航天工程技术领域富有挑战性的技术难题。

“因为载人航天的进度是不等人的，我们只能与时间赛跑。大家的努力也见到了成效，我们用两年的时间，就让中国成为世界上第一个能实时监测在轨飞行器舱内有害气体的国家。”刘伟伟团队的成果也使我国在光谱分析领域的技术水平超越美国、俄罗斯等航天科技发达国家，达到国际领先水平，为我国载人航天工程自主创新做出了重要贡献。

科研成果能转化应用就是最大的成就

项目成果经过中国空间技术研究院验收通过后，刘伟伟没来得及庆祝就住进了医院。连续两年的高强度工作，使他患上了多种腰椎疾病，严重时腿部甚至没有知觉。刘伟伟却说，参加工作以来，最有成就感的事莫过于参与了我国首个空间实验室“天宫一号”的科研工作。从他接手项目的那一刻开始，他就和所有献身中国航天事业的科学家一样，所有的努力，就是为了赢得国家的尊严。“我们用了两年的时间，就完成了其他国家7到8年的研发任务。那些航天技术发达的国家也不得不对我们刮目相看。”

最近几年，刘伟伟和他的团队又开始了新的征程。“空气中分子、原子运动时产生的辐射信号和运动轨迹会被超快激光扑捉到，我们就能够反推分子的结构，从而分析出大气成分，在分子光谱学领域的所有成果现在还仅仅停留在这个阶段，我们还要试着按照我们的意愿自主调控激光，利用光学手段改变分子结构。”

然而激光近乎极限的“稍纵即逝”、超强的能量释放，使得可控、稳定、测量成为驾驭激光的世界性难题。

“就好比在地球上控制月球上一个人的运动。任意一个实验条件的稍微变化都会引起结果的极大差异。另外，超快激光相当于千万亿个太阳同时照射的强度，任何测量仪器放那儿一下就打坏了。”难度虽然不小，但刘伟伟却信心满满，“目前这项工作已经进入试验阶段，如果应用到大气污染治理上，很有前景。到时候不用工作人员进入污染区域，就能在远程控制激光改变空气中有害分子的结构，从而消除大气污染。”

截至目前，刘伟伟已承担国家和省部级科研项目10余项，入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”；获邀在近30次国际学术会议作特邀报告；2011年获“王大珩光学奖——中青年科技人员光学奖”、“金国藩青年学子奖”；2015年获第一届全国太赫兹科学技术学术年会“大会优秀青年学者奖”。

“做科研没有兴趣、没有成就感，那就根本做不出成绩来。”刘伟伟说，他的成就感来自于解决一个又一个难题，更来自于自己的成果一项项转化应用。

原标题：“天宫一号”里的近红外光谱仪