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为天问一号装上“会打电话的黑匣子”

2021-05-17 11:14:44 来源:光明日报
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原标题:为天问一号装上“会打电话的黑匣子”

5月15日,执行我国首次火星探测任务的天问一号探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆,迈出了我国星际探测征程的重要一步。后续,祝融号火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检驶离着陆平台并开展巡视探测。

火星探测器应急信标装置研制团队负责人、副总设计师、南京航空航天大学航天学院(以下简称“南航航天学院”)副院长王寅走出北京航天指挥控制中心的观测现场时,仍难掩激动和喜悦:“心情非常激动!在探测器着陆的时候,所有人都鼓掌拥抱!”

中国首创“会打电话的黑匣子”

王寅所带领的团队研制的应急信标装置能在天问一号探测器非预期着陆时传输数据,就像是个“会打电话的黑匣子”。

王寅介绍:“火星探测器信标装置是世界上首个航天器应用的应急通信载荷,它的主要功能和飞机上的黑匣子相似,但是又有所区别。飞机上的黑匣子不能主动传输数据,只能发送一个定位的信号,用于被搜索。而信标装置可以发送关键的数据和信号,被火星的环绕器接收,解读其中的关键数据。”

应急信标装置要在天问一号着陆火星时抵抗高强度的冲击,要能在火星零下一百三十度的环境下生存好几天,在体积尽可能小的同时还要保持通信畅通,这是中国独创的设计。

“这是对研制团队极大的技术挑战。信标装置测控系统的模块和同类型的产品相比,重量上要求减小20倍以上。在这样一个极小的空间里面,我们做得越小就越难。”王寅说,“这是一个结构、尺寸、材料相互组合和优化的创新过程。材料的特性选择不同,材料的尺寸不同,最后它对于冲击的吸收能力也是不一样的。另外,保温和抗冲击是两个相反的需求。要想保温,材料就要比较柔软,就像羽绒服一样,非常软但是不能抗冲击。要想抗冲击就需要坚硬的材料,但保温性能就比较差。怎样在这两种需求中找到平衡点,是一件非常困难的事情。”

面对困难义无反顾

在南航航天学院的实验室里,记者见到了应急信标装置的试验件。它不到4公斤,像个精致的小保温桶,在成型之前,经历了无数次的更新迭代。

电子系统是应急信标装置的中枢神经,不能出一丝差错。南航航天学院副教授王小涛就是负责这个“中枢神经系统”的主任设计师。要在不到两年的时间里完成一个没有可借鉴先例、一切从零开始的超高难度任务,看似不可能,但火星探测器系统总指挥、总设计师顾问、南航航天学院院长叶培建院士打下的“强心针”让这支平均年龄30岁出头的年轻团队在面对困难,甚至是危险时仍然义无反顾。

“2019年年初,叶院士在我们整个火星项目团队开会时强调,我们年初的时候一定要坚定信念,就是我们一定要成功。只有这样,经过一年的不断努力,我们才必定能成功。”王小涛回忆。

高速冲击实验要用火炮发射信标,来模拟火星探测器异常着陆时的速度,保证信标在高速冲击下内部结构不散架,安全完成信息传输任务。团队负责人王寅说:“这个实验整整做了一个月。炮管的口径和信标的尺寸不匹配,为了解决这个问题,最后我们给信标做了一个外壳,再通过火炮发射出去。在离开火炮炮管以后,外壳和信标能够脱离。”

应急信标装置主任设计师、南航航天学院副教授张子建透露,曾经有一次高速冲击实验着实让他后怕:“当时要近距离拍摄,大家找了一个纸箱子在高速相机前挡着。有一次有个碎石一样的东西反弹,打到相机支架的锁扣上,一下子就把锁扣打没了。但是你还必须在那儿摁开关,它只记录几秒钟的时间。”

绝不带着问题上天

离探测器转运到海南的文昌航天发射场只有两周左右的时间,绝大多数的测试都已经完成,就在应急信标装置即将交付时,王寅面临一个重大抉择。

王寅说:“最后几次综合测试时,我们在信标的通信上发现了一个小的问题,就是传输的数据并不是很完整。由于数据是重复发送的,并不影响它的使用。当时想到的是,既然数据传输不完整,那么一定存在问题,不能够带着问题上天。但是如果推倒重来,那么后面还需要再次补充测试,留给我们的时间非常少。这在当时是一个非常困难的决定,最后我们还是把信标取回来重新检测,把问题找出来。”

出现问题的是王小涛负责的电路系统。王小涛说:“当时我们连夜赶到北京去,到了宾馆接近12点了,但是大家都没有休息,直接动手去连接调试。结果测了一天一夜,总觉着它没有问题,但是后来继续测就发现和正常的不太一样了。回到南京后继续变化条件反复测,每天都要测好多遍,最终找到了电磁兼容的一个关键地方。后来我们把通信的协议稍微修改了一下,就再也没有出现问题了。”

(本报记者苏雁 本报通讯员林溪 周长城)

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