科技日报|仅重4公斤，黑科技加持！天问一号的“黑匣子”可不一般
◎ 科技日报采访人员 金凤 实习采访人员 雷浩然
应急信标 ， 相当于飞机的黑匣子 ， 在深空探测中 ， 可以在紧急情况下 ， 发送指定信号 ， 分析探测器的着陆状态 。
2020年7月23日12时41分 ， 长征五号遥四运载火箭将我国首次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空 ， 并成功将探测器送入预定轨道 ， 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 。
23日 ， 科技日报采访人员从南京航空航天大学获悉 ， 在本次火星探测任务中 ， 该校研制的火星应急信标装置 ， 将搭载“天问一号”在火星着陆 。 科研团队介绍 ， 这套应急信标的防冲击性比黑匣子高三四成 ， 并将在火星的极端气候下 ， 接受远距离通信的挑战 ， 南航是国内唯一独立承担火星探测器载荷研制任务的高校 。
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南京航空航天大学科研团队研制的火星应急信标装置 ， 受访者供图
应急信标防冲击性比黑匣子高三四成
“天问一号”将在地火转移轨道飞行约7个月后 ， 到达火星附近 ， 通过“刹车”完成火星捕获 ， 进入环火轨道 ， 并择机开展着陆等任务 ， 进行火星科学探测 。
“我们研制的信标装置安装在探测器的着陆器上 。 应急信标装置相当于飞机的黑匣子 ， 在探测器着陆后 ， 可在特定情况下 ， 发送指定信号 ， 分析探测器的着陆状态 。 ”南航火星探测器信标项目冲击防护系统主任设计师张子建告诉科技日报采访人员 。
“这意味着信标得有高冲击防护能力 。 ”张子建介绍 ， 科研团队建构了一种刚柔耦合系统 ， 相当于给信标穿了一身刚柔相济的“防护服” ， 防冲击性比飞机的黑匣子要高30%-40% 。 “这种防护强度 ， 相当于从高空扔一个鸡蛋 ， 不仅要保证鸡蛋不破 ， 而且蛋黄和蛋清还要不混 。 ”
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 ， 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 。
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测量参数 。 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 。
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南京航空航天大学科研团队分享火星应急信标装置的科研故事 。 金凤摄
火星应急信标装置在国内外属“首创”
火星温度高温高寒 ， 为了让信标在零下130摄氏度至50度的极端温度下工作 ， 冻不着、热不着 ， 研究团队实施了一种像叠被子一样的工艺 ， 进行精确的热控分析 ， 以更精确地减少材料、保存热量 ， 而这都是没有经验可循的 。
实现远距离通信是信标的功能之一 ， 为了实现该功能需要复杂的无线电测控系统、电源系统等 ， 而如何将这些复杂的系统都装进4公斤重的信标里 ， 用张子建的话说 ， 这相当于将大象装进冰箱里 。 对此 ， 团队要逐一攻克电磁兼容等问题 。
在信标装置通信能力测试的过程中 ， 研制人员曾发现通信有丢帧的现象 ， 一直找不到原因 ， 为了查找和定位通讯的故障 ， 不带问题上天 ， 大家主动放弃假期 ， 成立技术突击小队 ， 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 。
“信标装置能够在高强度冲击、极寒等极端环境下开展数据通信保障 ， 可以在火星探测器着陆后进行应急通信保障 ， 这在国内外都称得上 ‘首创’ 。 ”陈金宝说 。
自2018年8月 ， 火星应急信标装置研制团队在南航成立 ， 到详细设计方案于2019年4月评审通过 ， 经过六个月的研制与技术攻关 ， 南航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 。
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南京航空航天大学科研团队在研制火星应急信标装置 ， 受访者供图
科研团队平均年龄35岁
信标研制团队共十人 ， 平均年龄35岁 ， 成员中有不少是青年教师 。 2018年11月份 ， 是信标原理方案验证的关键时期 ， 张子建几乎每天都在各地出差 。
11月4日 ， 张子建终于忙完了一轮方案的汇报工作 ， 暂时回到家里稍作休息 。 就在他刚到家不久的深夜 ， 怀孕的妻子董洋洋胎动明显 ， 羊水破了 ， 被紧急送往了医院 。 经过28小时无眠的等待 ， 6日清晨7点29分 ， 一个健康的小宝宝平安诞生 。
而此时 ， 项目有一个重要的会议需要张子建参与 。 躺在病床上的董洋洋明白丈夫的心思 ， 鼓励他说：“你放心去吧 ， 我们能照顾好自己 。 ”虽有顾虑 ， 但张子建还是赶忙坐上早上9点的高铁去北京参加了会议 。
今年的春节正值疫情高发期 ， 团队成员不约而同地放弃休假 ， 到学校集同办公 ， 并与航天五院火星探测项目办协商交付计划和实验资源 。 大年初五 ， 部分团队成员就回到南京开始工作 。
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 。 在疫情严重的时候 ， 项目常务副总设计师王寅乘高铁往返北京和南京推进工作 ， 在北京航天城测试设备 ， 当日去 ， 当日回 。 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 ， 到了南京南站下车后 ， 又马不停蹄地换乘发往北京的高铁 。
在北京航天城 ， 王寅不仅要确认信标研制、出厂所必须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 。 靠着研制人员的奔波与资源协调 ， 项目得以继续按计划开展 ， 团队也实现了科学防疫和科研攻关两不误 。
【科技日报|仅重4公斤，黑科技加持！天问一号的“黑匣子”可不一般】2019年11月底 ， 火星应急信标装置正样产品顺利投产 。 2020年4月信标装置正式交付 。
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