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航天學院“天問一號”火星探測器信標裝置研制團隊（簡稱信標團隊）的身影。

這是全國唯一一個獨立承擔探測器單機載荷的高校團隊。

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

在不到兩年的時間里，信標團隊先后攻克高沖擊防護、極限空間電子系統(tǒng)設計、極限能源熱控等多項關鍵技術難關，實現(xiàn)信標裝置從無到有。

信標團隊的付出令人矚目，為表彰信標團隊的貢獻，2021年“五四”前夕，團江蘇省委、江蘇省青聯(lián)授予信標團隊“江蘇五四青年獎章集體”榮譽。

主動請纓，觸摸未知

著陸巡視器降落時，信標團隊負責人、南京航空航天大學航天學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，機動至火星進入軌道。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，信標就已經(jīng)開機，在軌道上和地面進行通信。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，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，他對信標的工作狀態(tài)還是比較有信心的，在整個降落過程中，信標是正常運行的，后續(xù)的信號傳輸不會有問題。

信標是獨立運行的載荷，設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，目的是為我國火星探測任務作最壞的打算。

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，得設計一個能扛住嚴苛的環(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”。

“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總體設計部門作了匯報，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”火星應急信標裝置研制團隊在南航正式成立，信標團隊以航天學院的王小濤、張子建、許蕾等骨干教師為核心力量。

成立之初，信標團隊就時刻面對著時間緊、困難大的雙重壓力。

王寅清晰地記得當時的緊迫感，“在探測器的研制進度中，信標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格的限制，我們團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是不會推遲的，時間節(jié)點卡得很緊。

研制任務艱巨無比，但沒有人退縮。

信標團隊的想法一致：能參與這樣的任務，不管是對將來的教學還是科學研究，都是一個難得的機會。

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

群策群力，挑戰(zhàn)難題

2018年11月，信標設計的初步方案確定以后，進入了漫長的論證階段。

王寅和團隊的第一個難關就是論證信標的技術實現(xiàn)途徑，信標應該是什么樣的構造？該怎么實現(xiàn)特定的功能？當時，團隊參考了飛機的黑匣子、返回式衛(wèi)星的記錄儀和導彈的彈載記錄儀，發(fā)現(xiàn)這些裝置和信標的設計是不一樣的。

與飛機的黑匣子相比，信標功能更強大，不需要回收，自身就能夠?qū)㈥P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，信標是用在航天器上的，在地外行星工作，必須具備較強的環(huán)境適應能力。

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，信標電子系統(tǒng)的設計方案就經(jīng)歷了幾十次反復迭代。

電子系統(tǒng)是信標的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，副教授王小濤是信標電子系統(tǒng)的主任設計師。從確定任務開始，他和團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。

其他技術指標的論證工作莫不如此。

辛苦付出之后，2019年4月，信標的整體設計方案終于通過評審。信標被設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。

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

說得簡單點，信標得結實扛摔、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、正樣件的設計、制造、調(diào)試、測試、試驗，一個環(huán)節(jié)都不能少，為了趕進度，團隊成員經(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)單位的測試結果，取鑒定件繼續(xù)測試。

信標小小的個頭，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，來模擬火星探測器異常著陸時的速度，保證信標在高速沖擊下內(nèi)部結構不散架，安全完成信息傳輸任務。

副教授張子建在高速沖擊實驗中遇到了實實在在的危險：“當時要近距離拍攝，大家找了一個紙箱子在高速相機前面擋著。有一次，有一個碎石一樣的東西反彈，打到相機支架的鎖扣上，一下子就把鎖扣打沒了。但是參試人員必須在相機那里摁開關，它只記錄幾秒鐘的時間。真的害怕，那次實驗是我上的，因為是我負責。當時，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：“很多關鍵技術，無法通過仿真充分認識，必須通過實驗去了解其準確性能。有時候，我們根據(jù)方案設計后發(fā)現(xiàn)不行，就得改方案，甚至是重新開始。”

一個接一個的難題被解決了。

2019年11 月底，信標正樣產(chǎn)品投產(chǎn)。

信標交付之前，團隊又經(jīng)歷一次嚴峻的考驗。

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

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，他和團隊更換條件反復測試，經(jīng)常連夜作戰(zhàn)，高強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

信標交付了，不代表團隊的工作結束了。

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

2020年4月底到5月初，信標團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)射前最終的任務確認。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)開機的。在飛行途中，信標處于關機狀態(tài)。這就存在一個問題——信標要長期在空間環(huán)境中存儲。

對信標來說，這是有可能出問題的一個環(huán)節(jié)。

王寅和信標團隊是擔心的，“火星探測器上其他的單機載荷都在地面做過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?！跋Ｍ枴钡哪繕耸黔h(huán)繞火星研究火星大氣，“天問一號”和“毅力號”的目標都是登陸火星。2021年2月，“希望號”與“天問一號”進入環(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這么簡單了，他不太好用語言來表達所承受的壓力。

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）在任務中發(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?！?/p>

備而不用，孫澤洲寄語信標團隊繼續(xù)思考信標的技術升級與未來應用。

小部件融入大工程，小團隊融入大集體。

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

參與這項工程，信標團隊積累了一些經(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的背后有很多人在默默付出，他跟航天五院火星探測任務總體設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，一般不重復生產(chǎn)），每個任務都有不同的需求，每個任務可能都會有新的技術、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“首次火星探測任務即實現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視探測”的目標，啟動了任務方案論證和實施。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，突破一系列關鍵技術，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。