科学视点

无畏再战 逐梦火星——记中科院国家空间科学中心“天问一号”载荷研制团队

  十年前的秋天,俄罗斯“福布斯—土壤”火星探测器发射失败,随之失联的,还有搭载于其上的中国火星探测计划第一颗探测器——“萤火一号”。

  “很难过。”和所有参与“萤火一号”载荷研制的科研人员一样,中科院国家空间科学中心研究员张爱兵心里不甘却又无奈。“萤火一号”上的等离子体探测包,就由他们团队研制。

  2015年9月,这支团队重整旗鼓,承担起中国第一次自主火星探测任务“天问一号”的载荷任务,负责研制火星离子与中性粒子分析仪。

  前不久,“天问一号”成功传回高清火星照让大家兴奋不已。据悉,经风险评估后,“天问一号”将在5月到6月择机着陆火星,进行巡视探测。

  起点:“你们太有野心了”

  “天问一号”之所以要搭载这个载荷,为的是通过测量火星空间环境中的离子和中性粒子这两种物质,回答太阳风与火星之间是怎么相互作用的、火星大气逃逸机制是什么样的。同时,通过太阳风离子探测,研究太阳风在行星际的传播特性。

  由于离子带电,中性粒子不带电,科学家测量它们时通常会使用两台仪器。但对于要向火星远航的“天问一号”来说,探测器上的每一寸面积都倍加珍贵,每一克负重都尤为关键。张爱兵想:有没有可能合二为一?

  “如果做成两台仪器,当然会容易些,但重量肯定就超了。所以,我们要设计一个全新的方案。”张爱兵说。

  就在他们讨论设计思路时,恰好来访的德国马普研究所高级研究员、粒子探测载荷研制专家Berndt Klecker得知了他们的想法。“你们这个想法太有野心了。”面对雄心勃勃的中国同行,Klecker直言。

  Klecker的话不是没有道理,但这支曾参与过“嫦娥一号”“嫦娥二号”“萤火一号”、风云卫星类似载荷项目的团队对自己有信心。

  2015年9月,带着“二合一”的方案,张爱兵参加了“天问一号”的载荷遴选答辩。经过激烈角逐,方案获得评审专家青睐。

  遴选胜出后,张爱兵和团队成员孔令高、郑香脂足足兴奋了一整晚,他们曾经一起参与“萤火一号”项目,又一起经历了失败的伤痛,现在,是重整旗鼓、再度出征的时候了。

  研制:“扑面而来的压力”

  喜悦和兴奋只停留了一晚。“紧随的是扑面而来的压力。”郑香脂回忆。

  “二合一”的方案前所未有,实现难度可想而知。

  对于负责传感器设计的孔令高来说,难度在于设计“开关”和“通道”。“我们要设计两个开关和两个通道,在1秒钟里,前半秒要把离子的通道打开,中性粒子的通道关闭,测量离子;后半秒要把中性粒子的通道打开,离子的通道关闭。而且还要让它们最大限度共用一部分通道,从而实现小型化。这是以前从没做过的。”

  对于负责软件设计的郑香脂来说,难度也是以往项目难以比拟的:“我们提出了10种探测模式,每种模式涉及参数非常多。同时,由于火星离地球太远,数据上传下达时有较大限制。一方面,地球指令发出后,卫星反应所需时间长,因此,我们要让仪器尽可能智能化,不借助地面干预,随机应变;另一方面,传回的数据量有限,我们要保证传回的有用信息不损失。”

  对于负责电子学设计的团队成员田峥来说,挑战同样大。“为了既减少电荷灵敏放大器的使用,又保证测量精度,我们用4片芯片替代了原来需要的32片芯片。为了把前端的传感器做到小型化,我们对后端的电子学高压提出了苛刻的要求,设备电子学内部最高输出电压高达15000伏,这在我们以往的载荷中不曾有过。”

  波折:“心一直是起起落落”

  “新技术从不成熟到成熟,不是一帆风顺的。”田峥说。

  团队的核心成员有十多名,都正值三四十岁的科研盛产期,也都是经验丰富的“老手”。即便如此,他们还是经历了大大小小的波折。

  2017年10月,载荷的原理样机研制完成,没想到,做测试时样机测不到任何有效数据。原理似乎没走通,一切可能都要推倒重来。团队成员一个个焦头烂额。“哪怕是测到的数值不准确,也比什么都测不到要好,至少我们能知道排查哪方面的问题。”孔令高说。无奈之下,他们只能没日没夜地排查每一个环节。幸运的是,一周后,问题找到了,进度很快赶了上来。

  “整个研制过程中,大家的心一直是起起落落。”郑香脂感慨。

  老天时不时会跟他们开个玩笑。2019年初,载荷任务只差临门一脚——做标定,揪心的事又出现了。

  对于卫星载荷来说,地面标定工作非常重要,没有经过标定的探测器,就像是没有校准的秤,无法判断探测到的数值是否准确。由于国内没有中性粒子标定设备,载荷正样做出来之后,团队成员带着它前往瑞士伯尔尼大学。

  标定时,载荷被放在一个可以产生中性粒子的“大罐子”里,团队成员通过电脑屏幕监测载荷的工作状态。很快他们发现,氧原子的探测数值跟“罐子”里实际给的量不一致。

  气氛瞬间紧张起来。参数不对,说明仪器可能存在缺陷、需要返修,而时间已经不多了。如果赶不上卫星进度,会有两个后果,一是载荷要被放弃,二是探测计划要整体后延……来不及再往下想,张爱兵和团队成员抓紧时间讨论。可是,大家怎么都找不到问题根源。于是,他们又去跟定标工作人员沟通,反复几次,最终才发现,原来是工作人员向“大罐子”注入粒子源时,将氧原子误操作成了氧分子。

  直到2020年10月31日火星离子与中性粒子分析仪正常开机探测,看着弯弯曲曲的数据曲线一点点从遥远的太空传回地面,大家起伏不定的心才彻底放下。

  收获:“你们用几年走了我们10年才能走完的路”

  “现在仪器工作非常正常,传回的数据非常不错。”张爱兵难掩兴奋。

  看到中国同行在该类载荷技术方面的巨大进步,瑞典空间物理研究所所长Stas Barabash惊叹:“你们用几年走了我们10年才能走完的路。”

  曾认为中国同行“有野心”的Klecker不仅为这支团队感到高兴,还有意愿参与之后的数据研究工作。

  回顾这些年走过的路,大家不约而同地用一个词道出他们成功的秘诀——团队协作。这个词的背后,是团队成员一起熬过的一个个深夜,是项目遇到困难时彼此间的鼓劲和安慰,是大家为了攻克难题而一起度过的每一个节假日,是家人对他们的每一分支持。

  搭载着“天问一号”,载荷团队的青春在遥远的火星绽放。


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