張建

2021年5月15日，“天問一號”火星探測器的著陸巡視器成功降落在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，這是中國航天器首次在地外行星著陸。從此，這顆紅色的星球上有了中國的印跡。

“天問一號”火星探測器是中國航天走向更遠(yuǎn)深空的國之重器，集千千萬萬科技工作者的智慧于一身。在辛苦付出的科技工作者中，就有南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院“天問一號”火星探測器信標(biāo)裝置研制團(tuán)隊（簡稱信標(biāo)團(tuán)隊）的身影。

這是全國唯一一個獨立承擔(dān)探測器單機(jī)載荷的高校團(tuán)隊。

信標(biāo)團(tuán)隊研制的應(yīng)急信標(biāo)裝置（簡稱信標(biāo)）被稱為“會主動打電話的黑匣子”，是世界上首個航天器應(yīng)用的應(yīng)急通信載荷。

在不到兩年的時間里，信標(biāo)團(tuán)隊先后攻克高沖擊防護(hù)、極限空間電子系統(tǒng)設(shè)計、極限能源熱控等多項關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，實現(xiàn)信標(biāo)裝置從無到有。

信標(biāo)團(tuán)隊的付出令人矚目，為表彰信標(biāo)團(tuán)隊的貢獻(xiàn)，2021年“五四”前夕，團(tuán)江蘇省委、江蘇省青聯(lián)授予信標(biāo)團(tuán)隊“江蘇五四青年獎?wù)录w”榮譽(yù)。

主動請纓，觸摸未知

著陸巡視器降落時，信標(biāo)團(tuán)隊負(fù)責(zé)人、南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院副院長王寅作為參研參試單位的代表，在北京航天指揮控制中心觀測、判讀信標(biāo)數(shù)據(jù)。

2021年5月15日凌晨1時許，“天問一號”火星探測器在停泊軌道實施降軌，機(jī)動至火星進(jìn)入軌道。4時許，環(huán)繞器和著陸巡視器分離，經(jīng)過約3小時的飛行后，著陸巡視器進(jìn)入火星大氣層。此后，著陸巡視器就開始了一段驚心動魄的旅程，在約9分鐘的時間里，要先后自主執(zhí)行氣動減速、傘降減速、動力減速、懸停避障與緩速下降多個程序，無法從地面獲得支持。

王寅說，信標(biāo)裝置要記錄并發(fā)送的，就是探測器從降軌到著陸整個過程中關(guān)鍵事件的發(fā)生時間和著陸巡視器的動作參數(shù)。

在探測器降軌前，信標(biāo)就已經(jīng)開機(jī)，在軌道上和地面進(jìn)行通信。地面發(fā)出遙控指令，向探測器注入?yún)?shù)，在環(huán)繞器和著陸巡視器分離后，信標(biāo)正式開始工作。

在落火的過程中，雖然有實時遙測，會傳回來一些數(shù)據(jù)，但是火星和地球的距離很遠(yuǎn)，通訊有時延，而且通信的帶寬很小，王寅看到的數(shù)據(jù)不是特別連續(xù)，有的數(shù)據(jù)要過好長時間才會更新一次。著陸巡視器落火后第四天，完整的數(shù)據(jù)才發(fā)回來。

著陸巡視器落火之后，王寅就比較放松了，他對信標(biāo)的工作狀態(tài)還是比較有信心的，在整個降落過程中，信標(biāo)是正常運行的，后續(xù)的信號傳輸不會有問題。

信標(biāo)是獨立運行的載荷，設(shè)計壽命是四個火星日（與地球相比，一個火星日約24小時38分），裝在著陸巡視器著陸平臺上。落火兩個小時后，著陸平臺就停止工作，而信標(biāo)又不能從“祝融號”火星車上獲取電源，只能靠自身攜帶的能源工作。

研制信標(biāo)，目的是為我國火星探測任務(wù)作最壞的打算。

截至2020年6月的數(shù)據(jù)顯示，火星探測器著陸的成功率不足50%?！疤靻栆惶枴被鹦翘綔y器是我國首次向火星發(fā)射的航天器，假如探測器遇到極端狀況，沒有真正平穩(wěn)降落到火星表面，工程技術(shù)人員如何獲取數(shù)據(jù)并分析產(chǎn)生故障的原因？

專家提出要求，得設(shè)計一個能扛住嚴(yán)苛的環(huán)境獨立工作、同時記錄著陸參數(shù)并能傳輸數(shù)據(jù)的載荷，即俗稱的“信標(biāo)”。

“我們知道后，很快就拿出方案并做了初步的論證，然后向火星探測任務(wù)總體設(shè)計部門作了匯報，經(jīng)評估后，我們的方案是可行的?！蓖跻f。

2018年8月，“天問一號”火星應(yīng)急信標(biāo)裝置研制團(tuán)隊在南航正式成立，信標(biāo)團(tuán)隊以航天學(xué)院的王小濤、張子建、許蕾等骨干教師為核心力量。

成立之初，信標(biāo)團(tuán)隊就時刻面對著時間緊、困難大的雙重壓力。

王寅清晰地記得當(dāng)時的緊迫感，“在探測器的研制進(jìn)度中，信標(biāo)的研制工作起步最晚，根據(jù)發(fā)射時間窗口（2020年7月—8月）倒推，從立項研制到最終交付只有一年多的時間。對航天型號來講，時間捉襟見肘，而且探測器可供分配的重量和尺寸都有嚴(yán)格的限制，我們團(tuán)隊的成員此前從未有過研制類似裝置的經(jīng)驗。”

火星探測器有精確的發(fā)射窗口，如果錯過了，整個火星探測工程就得延后兩年多，我國的火星探測的任務(wù)是不會推遲的，時間節(jié)點卡得很緊。

研制任務(wù)艱巨無比，但沒有人退縮。

信標(biāo)團(tuán)隊的想法一致：能參與這樣的任務(wù)，不管是對將來的教學(xué)還是科學(xué)研究，都是一個難得的機(jī)會。

王寅代表團(tuán)隊這么說：“其實想一想，一個人一生能參與國家重大戰(zhàn)略工程的機(jī)會是很少的。所以，大家接受任務(wù)后，都在想著怎么一步一步把工作向前推進(jìn)，順利把這項工作完成?！?/p>

群策群力，挑戰(zhàn)難題

2018年11月，信標(biāo)設(shè)計的初步方案確定以后，進(jìn)入了漫長的論證階段。

王寅和團(tuán)隊的第一個難關(guān)就是論證信標(biāo)的技術(shù)實現(xiàn)途徑，信標(biāo)應(yīng)該是什么樣的構(gòu)造？該怎么實現(xiàn)特定的功能？當(dāng)時，團(tuán)隊參考了飛機(jī)的黑匣子、返回式衛(wèi)星的記錄儀和導(dǎo)彈的彈載記錄儀，發(fā)現(xiàn)這些裝置和信標(biāo)的設(shè)計是不一樣的。

與飛機(jī)的黑匣子相比，信標(biāo)功能更強(qiáng)大，不需要回收，自身就能夠?qū)㈥P(guān)鍵的數(shù)據(jù)傳輸出去，王寅稱其為“會主動打電話的黑匣子”。

另外，信標(biāo)是用在航天器上的，在地外行星工作，必須具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

王寅說：“這是一個原創(chuàng)性的工作，論證階段就是從零起步，沒有任何成功經(jīng)驗可以借鑒。”

比如，信標(biāo)電子系統(tǒng)的設(shè)計方案就經(jīng)歷了幾十次反復(fù)迭代。

電子系統(tǒng)是信標(biāo)的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，副教授王小濤是信標(biāo)電子系統(tǒng)的主任設(shè)計師。從確定任務(wù)開始，他和團(tuán)隊成員差不多每周都輾轉(zhuǎn)三四個地方，找外協(xié)、請教專家、通宵做方案。因為很多事情一直懸而未定，他一直很焦慮，經(jīng)常連續(xù)幾天睡不好覺。

其他技術(shù)指標(biāo)的論證工作莫不如此。

辛苦付出之后，2019年4月，信標(biāo)的整體設(shè)計方案終于通過評審。信標(biāo)被設(shè)計成重量不超過四千克的小圓桶形狀，圓桶的直徑不超過14厘米、高度不超過16厘米。

信標(biāo)的構(gòu)造確定為機(jī)、電、熱三部分，機(jī)就是結(jié)構(gòu)，包括防沖擊的機(jī)構(gòu)和支撐的結(jié)構(gòu);電，就是電器、能源管理、通訊等跟電相關(guān)的部件;信標(biāo)既得防寒，還得散熱，其實散熱還不是團(tuán)隊重點考慮的內(nèi)容，主要還是防寒，因為火星平均溫度是-70℃。

說得簡單點，信標(biāo)得結(jié)實扛摔、能自主供電、能發(fā)信息、能耐得住火星寒冷的環(huán)境。

方案論證難，把紙面上的設(shè)計圖變成合格的產(chǎn)品更難。

以電子系統(tǒng)為例，電性件、鑒定件、正樣件的設(shè)計、制造、調(diào)試、測試、試驗，一個環(huán)節(jié)都不能少，為了趕進(jìn)度，團(tuán)隊成員經(jīng)常在外協(xié)單位的實驗室熬夜聯(lián)調(diào)，常常睡在實驗室里。有時候，還得半夜爬起來聽取外協(xié)單位的測試結(jié)果，取鑒定件繼續(xù)測試。

信標(biāo)小小的個頭，要求能扛住1萬G的過載沖擊。高速沖擊實驗要用火炮發(fā)射信標(biāo)，來模擬火星探測器異常著陸時的速度，保證信標(biāo)在高速沖擊下內(nèi)部結(jié)構(gòu)不散架，安全完成信息傳輸任務(wù)。

副教授張子建在高速沖擊實驗中遇到了實實在在的危險：“當(dāng)時要近距離拍攝，大家找了一個紙箱子在高速相機(jī)前面擋著。有一次，有一個碎石一樣的東西反彈，打到相機(jī)支架的鎖扣上，一下子就把鎖扣打沒了。但是參試人員必須在相機(jī)那里摁開關(guān)，它只記錄幾秒鐘的時間。真的害怕，那次實驗是我上的，因為是我負(fù)責(zé)。當(dāng)時，家里人都不知道這件事，只有做實驗的幾個人知道?！?/p>

王寅十分清楚工作的艱難：“很多關(guān)鍵技術(shù)，無法通過仿真充分認(rèn)識，必須通過實驗去了解其準(zhǔn)確性能。有時候，我們根據(jù)方案設(shè)計后發(fā)現(xiàn)不行，就得改方案，甚至是重新開始?！?/p>

一個接一個的難題被解決了。

2019年11 月底，信標(biāo)正樣產(chǎn)品投產(chǎn)。

信標(biāo)交付之前，團(tuán)隊又經(jīng)歷一次嚴(yán)峻的考驗。

考慮到各種約束，電子系統(tǒng)在信標(biāo)內(nèi)部只有火柴盒大小，電磁兼容在設(shè)計之初就是團(tuán)隊非常擔(dān)心的問題。

2020年3月初，電子系統(tǒng)在全閉環(huán)電信聯(lián)測的時候，射頻傳輸中備份信息有一些缺失的現(xiàn)象。王小濤和團(tuán)隊成員緊急趕往北京，在賓館里搭建臨時實驗室，連續(xù)測試兩天兩夜，終于找出問題。為保證電子系統(tǒng)絕對可靠，他和團(tuán)隊更換條件反復(fù)測試，經(jīng)常連夜作戰(zhàn)，高強(qiáng)度的工作帶來極大的壓力，有時候絕望到透不過氣來。

2020年4月，信標(biāo)交付后，王小濤壓力一下子沒有了，研制期間睡覺緊張出汗和突然驚醒的狀態(tài)也沒有了。

參與其中，方知甘苦

信標(biāo)交付了，不代表團(tuán)隊的工作結(jié)束了。

信標(biāo)裝到探測器上之前，就得和探測器上有信息交互的單機(jī)載荷進(jìn)行測試;裝到探測器上之后，還要和探測器進(jìn)行總體測試。這個測試分不同層次、不同階段，留給團(tuán)隊的時間并不多。

2020年4月底到5月初，信標(biāo)團(tuán)隊成員在海南文昌航天發(fā)射場參與了探測器B階段和C階段的整器聯(lián)測，完成了發(fā)射前最終的任務(wù)確認(rèn)。6月，又參與了著陸器合大底之前最終的測試。

2020年7月23日，長征五號遙四運載火箭將“天問一號”火星探測器直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道，探測器開啟六個多月的奔火之旅。

探測火星跟探月還不一樣，“天問一號”火星探測器上的很多載荷不是發(fā)射之后就工作的，而是陸續(xù)開機(jī)的。在飛行途中，信標(biāo)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。這就存在一個問題——信標(biāo)要長期在空間環(huán)境中存儲。

對信標(biāo)來說，這是有可能出問題的一個環(huán)節(jié)。

王寅和信標(biāo)團(tuán)隊是擔(dān)心的，“火星探測器上其他的單機(jī)載荷都在地面做過1：1的真空環(huán)境模擬實驗，用來驗證載荷的可靠性。我們沒有這個環(huán)節(jié)，真沒有那么多時間?！?/p>

2021年5月15日，探測器交出了完美的答卷。

2020年是火星探測的“大年”，在發(fā)射窗口，“天問一號”其實是與阿聯(lián)酋的“希望號”和美國的“毅力號”展開同場競技。“希望號”的目標(biāo)是環(huán)繞火星研究火星大氣，“天問一號”和“毅力號”的目標(biāo)都是登陸火星。2021年2月，“希望號”與“天問一號”進(jìn)入環(huán)火軌道，“毅力號”成功降落到火星表面。

“天問一號”火星探測器系統(tǒng)總設(shè)計師、南航校友孫澤洲曾說過，阿聯(lián)酋的“希望號”環(huán)火成功，美國的“毅力號”也已經(jīng)著陸，“天問一號” 在他心里已經(jīng)不是能不能完成任務(wù)這么簡單了，他不太好用語言來表達(dá)所承受的壓力。

2021年6月，國家航天局舉辦新聞發(fā)布會。會議間隙，孫澤洲在接受媒體采訪時說：“我們不希望它（信標(biāo)）在任務(wù)中發(fā)揮作用，一旦它發(fā)揮作用了，那我們的著陸可能就沒成功，或者出現(xiàn)很大的問題。信標(biāo)雖然沒有發(fā)揮它的主作用，但是它的信息也通過平臺傳回地球。”

備而不用，孫澤洲寄語信標(biāo)團(tuán)隊繼續(xù)思考信標(biāo)的技術(shù)升級與未來應(yīng)用。

小部件融入大工程，小團(tuán)隊融入大集體。

研制航天型號與學(xué)校的工作有很大差異。學(xué)校的科研一般是基礎(chǔ)研究或原理樣件研究，相對偏理論，應(yīng)用方面也是初步驗證。

參與這項工程，信標(biāo)團(tuán)隊積累了一些經(jīng)驗，走通了研制流程的各個環(huán)節(jié)，王寅說：“以后如果再有這樣的項目，我們就有路可循，很多事情可以提前策劃和思考。我們做信標(biāo)項目的時候，是走一步看一步，很多環(huán)節(jié)并不熟悉，一些設(shè)計要求理解得并不深刻。”

航天精神的洗禮，或許沒法通過文字或語言去體會，必須經(jīng)歷以后才知道其中的甘苦。

有一句話，王寅覺得是對航天事業(yè)最好的詮釋——功成不必在我，功成必定有我。其實，一個航天型號或一項航天任務(wù)的背后有很多人在默默付出，他跟航天五院火星探測任務(wù)總體設(shè)計部門在一起工作的時候，能清晰地感受到這句話的內(nèi)涵，晚上十一二點，他們的辦公室還是燈火通明，工作都是連軸轉(zhuǎn)，而且非常細(xì)致。他說：“航天事業(yè)有一個簡單、直白的公式：100-1=0，意思是航天事業(yè)，任何一個失誤可能都會造成無法挽回的損失。航天的特點是單件生產(chǎn)（產(chǎn)品基本上是一次性需求的專用產(chǎn)品，一般不重復(fù)生產(chǎn)），每個任務(wù)都有不同的需求，每個任務(wù)可能都會有新的技術(shù)、新的挑戰(zhàn)，而且國家對航天事業(yè)的投入非常大，所以航天人只能走一條路，必須成功！”

新聞背景

我國首次火星探測任務(wù)起點高、難度大、挑戰(zhàn)多，從論證階段開始，就面臨著諸多難題。2013年，國家航天局基于前期成果，提出了“首次火星探測任務(wù)即實現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視探測”的目標(biāo)，啟動了任務(wù)方案論證和實施。2016年，工程立項后，參與工程實施的數(shù)千家單位、數(shù)萬名科技工作者，突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，于2020年7月按計劃將“天問一號”送入太空。經(jīng)過近7個月的奔火飛行和3個月的環(huán)火探測，“天問一號”成功著陸火星，“祝融號”火星車駛上火星表面開始巡視探測。