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“天问一号”问天,这个“小筒”装置堪称首创
2020/07/23 15:48  新华报业网  

  交汇点讯 火星我来了!7月23日12时41分,长征五号遥四运载火箭成功发射火星探测器“天问一号”,开启火星探测之旅,迈出了我国自主开展行星探测的第一步。

  记者了解到,在此次“天问一号”任务中,在本次火星探测任务中,南京航空航天大学承担了火星应急信标装置的研制任务,是国内唯一独立承担火星探测器载荷研制任务的高校。

  值得一提的是,中国空间技术研究院空间科学与深空探测首席科学家、南京航空航天大学航天学院院长叶培建院士担任总指挥、总设计师顾问,嫦娥四号探测器总设计师、南航88级校友孙泽洲担任火星探测器总设计师。

  应急信标装置是什么?

  7月23日,在南航举办的 “火星探测器发射直播观摩活动 ”上,记者看到了外形像小筒一样的信标装置样品,重量不过4公斤左右,但是其中的结构相当复杂和精密。

  南航航天学院张子健副教授介绍,火星探测器信标装置相当于黑匣子加上信标系统。火星探测器包含环绕器、着陆器和巡视器三大部分,而信标装置主要安装在着陆器和巡视器两部分。“这套信标装置,能够保障高强度冲击、极寒等极端环境下的数据通信,在国内还是国外都称得上是首创。”

  记者了解到,在空间体积的限制下,要满足高强度冲击、极寒高温等多方面的苛刻要求,张子健说,抗击高强度冲击的这个难度相当于高空坠蛋,不仅要保护蛋壳不破坏,还要保证蛋黄、蛋清不晃。而让火星探测器同时耐受高温和极寒,需要经过极其精确的热控分析。而将一个测控系统装进信标装置中,几乎相当于“大象装进冰箱”。

  “硬骨头”也必须啃下来。2018年8月,火星应急信标装置研制团队在南航正式成立,详细设计方案于2019年4月评审通过,经过六个月的研制与技术攻关,航天学院团队按计划完成了电性能测试、力试验、鉴定级产品投产、大过载摸底试验、全时序模拟测试、热平衡试验、专项试验研制技术流程,各项功能与性能满足使用与设计要求。11月底正样产品顺利投产,2020年4月信标装置正式交付。

  一个全新的产品,在没有任何成功经验可借鉴的情况下,6个月左右的时间,开展信标的设计、制造、试验、验证等工作的难度可想而知,团队都是“摸着石头过河”。

  每一次的高冲击试验都“跌宕起伏”

  在信标装置通信能力测试的过程中,研制人员发现通信有丢帧的现象,原因一直无法定位,而交付进度没有任何余量,研制团队承担了巨大的压力。

  南航火星应急信标团队副总指挥、航天学院党委书记季海群介绍,在此关键时刻,学院成立了技术突击小队,连续48小时对通信系统软硬件排查,最终在出厂交付前定位和解决了问题。

  高过载冲击试验是考核信标装置抗极端环境的重要验证试验,试验的过程具有一定的危险性,尽管在试验前有专门关于技术安全的风险控制措施,确保试验在保证安全的前提下开展。但高冲击试验的危险性和不确定性还是让团队成员吃了不少苦头。回顾信标的研制经历,每一次的高冲击试验都“跌宕起伏”,但也都是必须得啃下来的“硬骨头”。

  南航火星应急信标团队总设计师、航天学院常务副院长陈金宝介绍,为了让高冲击试验可控、可测的进行,团队采用了五种试验验证工作的冲击方案。

  第一种方案需要近距离测量信标的参数,但由于信标位置的不可预知性,团队成员需要冒着被砸伤的风险,坚守在试验场第一线,进行参数的测量。实际试验工作中,信标距离成员的距离不足十米,若稍微出现一点偏差,团队成员可能就面临生命危险。而这还仅仅是开始,由于第一种方案无法满足试验的测试要求,团队迅速调整后又开始验证第二种、第三种试验方案,但都满足不了指标要求。

  在“后墙不倒”使命的召唤下,研制团队几次跌倒,又一次次站了起来。经过无数次摸索,克服了种种困难,进行了第五种试验方案的验证工作。终于,在团队所有成员的共同努力下,第五种试验方案达到了各种指标,试验验证工作圆满完成。

  重重困难也要“使命必达”

  看着火箭成功升空,南航当天的观摩会顿时欢呼一片。“感到非常自豪和激动,我们信标团队虽然遇到了不少困难,也得到了非常多的支持。”观摩会现场连线了在海南文昌发射基地的南航航天学院常务副院长陈金宝,他也是南航火星应急信标团队的总设计师。

  重重困难也要“使命必达”。南航火星应急信标团队共十人,平均年龄不过35岁。

  长达一年半的研制工作,国家火星探测信标团队经历试验失败、疫情阻挠,从正样产品总装、单测、环境试验、联试,到模拟飞行测试、验收和综合测试,一步步脚踏实地地实现航天报国的梦想。

  今年春节,团队成员不约而同地放弃难得的休假,来学校集同办公,并与航天五院火星探测项目办协商交付计划和实验资源。疫情期间,为了避免影响家人,老师们出差回到南京后都会进行自我隔离,很多老师都会睡在实验室中。

  在北京航天城,项目常务副总设计师王寅不仅要确认信标研制和出厂所必需的环境实验和专项实验项目的试验大纲和试验细则,还要确定信标与探测器之间联试项目的测试细则和进度安排,任务十分艰巨。

  疫情严重的时候,北京不允许外来人员住宿,王寅乘高铁往返北京和南京推进工作,当日去开展测试,当日返回南京,2月2日至16日间,他有一个多星期都是这样的状态,甚至有两次前一天晚上从北京坐卧铺车回南京,一下南京南站,又马不停蹄地换乘发往北京的高铁。

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  总师南航造:从月球到火星,航天梦不止步

  从我国第一代传输型侦察卫星、第一代长寿命实时传输对地观测卫星,到我国第一颗月球探测卫星,再到如今火星探测任务迈出我国行星探测第一步……坚守航天领域研究近五十载,作为多个具有开创意义的空间探测器的总师、首席科学家,叶培建院士亲历我国航天事业从无到有、由弱变强,亲手推动了中国卫星遥感、月球与深空探测及空间科学的快速发展。

  2018年5月,叶培建院士被聘为南京航空航天大学航天学院院长。去年4月,在南航举行的嫦娥四号研制团队校友思政公开课上,叶培建院士曾向师生们介绍了中国航天的宏伟蓝图。“我们还要到火星取样返回,还要对木星进行探测,还将向太阳系边际探测飞行。中国的航天强国梦,将为中国的伟大复兴作出贡献!”

  “对航天事业负责”成为叶培建一辈子都在努力的事,他说:“我们要研制和发射更多、更好、更高水平的卫星,服务中国,乃至全世界,中国的航天员将迈步月球和更远的太空,探测火星、小行星和木星,实现真正意义上的行星际探测,飞向更远、更远!”

  按计划,“天问一号”火星探测器将搭乘长征五号运载火箭升空并进入地球同步轨道,而后进行大约7个月的飞行到达火星,最终在2021年5月着陆在火星赤道附近。据了解,任务计划通过实施一次发射,实现多个工程目标,包括火星环绕和着陆巡视,开展火星全球性和综合性探测,并对火星表面重点地区进行精细巡视勘查。

  国外在火星着陆任务之前都有环绕卫星在火星附近,而中国的火星着陆巡视器是环绕火星不久后,就要与环绕器分离并降落,这对于着陆后的火星车自主能力提出更高要求。

  中国火星探测任务最核心、难度最大的地方,就是在着陆器进入火星大气后降落伞减速的过程,这个过程只有一次机会。“认识一个新的事物就是试错的过程,航天却不会给你很多机会去试错。”孙泽洲总师坦言。

  在南航求学的经历让孙泽洲受益匪浅。“这是我至关重要的4年。老师们不仅给我们传授知识,也教我们怎么做人。”父母都在沈阳飞机制造公司工作的他从小耳濡目染,一心向往探索宇宙空间的奥秘,并于1988年进入南航电子工程专业读书。毕业后,他随即进入航天科技集团中国空间技术研究院工作。2004年任嫦娥一号卫星副总设计师,2008年任嫦娥三号探测器总设计师,后担任嫦娥四号探测器总设计师,以及火星探测器总设计师。

  工作20多年间,他长期致力于深空探测领域研究和工程实践,逐步成长为我国深空探测航天器设计领域专家和学术带头人。如今,孙泽洲正带着他的团队一步一个脚印,迈出中国深空探测坚实的步伐。

  在此次火星探测器搭载的长征五号系列火箭的研制工作中,除了总师之外,还有许多“南航元素”。负责长征五号系列主体结构制造、总装和测试的是天津航天长征火箭制造有限公司,南航85级飞机设计专业校友孟凡新担任该公司总经理。去年年底,长征五号遥三运载火箭的成功复飞,南航郭万林院士为代表的科研人员提供了“南航智慧”。

  交汇点记者 杨频萍/文 刘莉/摄

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责编:顾志铭

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