僅重4公斤,黑科技加持!天問一號的「黑匣子」可不一般

2020-07-25 環球網

來源:科技日報

◎ 科技日報記者 金鳳 實習記者 雷浩然

應急信標,相當於飛機的黑匣子,在深空探測中,可以在緊急情況下,發送指定信號,分析探測器的著陸狀態。

2020年7月23日12時41分,長徵五號遙四運載火箭將我國首次火星探測任務「天問一號」探測器發射升空,並成功將探測器送入預定軌道,開啟火星探測之旅,邁出了我國自主開展行星探測的第一步。

23日,科技日報記者從南京航空航天大學獲悉,在本次火星探測任務中,該校研製的火星應急信標裝置,將搭載「天問一號」在火星著陸。科研團隊介紹,這套應急信標的防衝擊性比黑匣子高三四成,並將在火星的極端氣候下,接受遠距離通信的挑戰,南航是國內唯一獨立承擔火星探測器載荷研製任務的高校。

僅重4公斤,黑科技加持!天問一號的「黑匣子」可不一般

南京航空航天大學科研團隊研製的火星應急信標裝置,受訪者供圖

應急信標防衝擊性比黑匣子高三四成

「天問一號」將在地火轉移軌道飛行約7個月後,到達火星附近,通過「剎車」完成火星捕獲,進入環火軌道,並擇機開展著陸等任務,進行火星科學探測。

「我們研製的信標裝置安裝在探測器的著陸器上。應急信標裝置相當於飛機的黑匣子,在探測器著陸後,可在特定情況下,發送指定信號,分析探測器的著陸狀態。」南航火星探測器信標項目衝擊防護系統主任設計師張子建告訴科技日報記者。

「這意味著信標得有高衝擊防護能力。」張子建介紹,科研團隊建構了一種剛柔耦合系統,相當於給信標穿了一身剛柔相濟的「防護服」,防衝擊性比飛機的黑匣子要高30%-40%。「這種防護強度,相當於從高空扔一個雞蛋,不僅要保證雞蛋不破,而且蛋黃和蛋清還要不混。」

高過載衝擊試驗是考核信標裝置抗極端環境的重要驗證試驗,試驗的過程具有一定的危險性,儘管在試驗前有專門關於技術安全的風險控制措施,但高衝擊試驗的危險性和不確定性,還是讓團隊成員吃了不少苦頭。

南航火星應急信標團隊總設計師、航天學院常務副院長陳金寶介紹,為了讓高衝擊試驗可控、可測的進行,團隊採用了五種試驗驗證工作的衝擊方案。第一種方案需要近距離測量信標的參數,但由於信標位置的不可預知性,團隊成員需要冒著被砸傷的風險,堅守在試驗場第一線測量參數。實際試驗工作中,信標距離成員的距離不足十米,若稍微出現一點偏差,團隊成員可能就面臨生命危險。

僅重4公斤,黑科技加持!天問一號的「黑匣子」可不一般

南京航空航天大學科研團隊分享火星應急信標裝置的科研故事。金鳳攝

火星應急信標裝置在國內外屬「首創」

火星溫度高溫高寒,為了讓信標在零下130攝氏度至50度的極端溫度下工作,凍不著、熱不著,研究團隊實施了一種像疊被子一樣的工藝,進行精確的熱控分析,以更精確地減少材料、保存熱量,而這都是沒有經驗可循的。

實現遠距離通信是信標的功能之一,為了實現該功能需要複雜的無線電測控系統、電源系統等,而如何將這些複雜的系統都裝進4公斤重的信標裡,用張子建的話說,這相當於將大象裝進冰箱裡。對此,團隊要逐一攻克電磁兼容等問題。

在信標裝置通信能力測試的過程中,研製人員曾發現通信有丟幀的現象,一直找不到原因,為了查找和定位通訊的故障,不帶問題上天,大家主動放棄假期,成立技術突擊小隊,連續48小時對通信系統軟硬體排查,最終在出廠交付前定位和解決了問題。

「信標裝置能夠在高強度衝擊、極寒等極端環境下開展數據通信保障,可以在火星探測器著陸後進行應急通信保障,這在國內外都稱得上 『首創』。」陳金寶說。

自2018年8月,火星應急信標裝置研製團隊在南航成立,到詳細設計方案於2019年4月評審通過,經過六個月的研製與技術攻關,南航航天學院團隊按計劃完成了電性能測試、力試驗、鑑定級產品投產、大過載摸底試驗、全時序模擬測試、熱平衡試驗、專項試驗研製技術流程,各項功能與性能滿足使用與設計要求。

僅重4公斤,黑科技加持!天問一號的「黑匣子」可不一般

南京航空航天大學科研團隊在研製火星應急信標裝置,受訪者供圖

科研團隊平均年齡35歲

信標研製團隊共十人,平均年齡35歲,成員中有不少是青年教師。2018年11月份,是信標原理方案驗證的關鍵時期,張子建幾乎每天都在各地出差。

11月4日,張子建終於忙完了一輪方案的匯報工作,暫時回到家裡稍作休息。就在他剛到家不久的深夜,懷孕的妻子董洋洋胎動明顯,羊水破了,被緊急送往了醫院。經過28小時無眠的等待,6日清晨7點29分,一個健康的小寶寶平安誕生。

而此時,項目有一個重要的會議需要張子建參與。躺在病床上的董洋洋明白丈夫的心思,鼓勵他說:「你放心去吧,我們能照顧好自己。」雖有顧慮,但張子建還是趕忙坐上早上9點的高鐵去北京參加了會議。

今年的春節正值疫情高發期,團隊成員不約而同地放棄休假,到學校集同辦公,並與航天五院火星探測項目辦協商交付計劃和實驗資源。大年初五,部分團隊成員就回到南京開始工作。

疫情期間,為了避免影響家人,老師們出差回到南京後都會進行自我隔離,很多老師都會睡在實驗室中。在疫情嚴重的時候,項目常務副總設計師王寅乘高鐵往返北京和南京推進工作,在北京航天城測試設備,當日去,當日回。2月2日至16日間,他有一個多星期都是這樣的狀態,甚至有兩次前一天晚上從北京坐臥鋪車回南京,到了南京南站下車後,又馬不停蹄地換乘發往北京的高鐵。

在北京航天城,王寅不僅要確認信標研製、出廠所必須的環境實驗和專項實驗項目的試驗大綱和試驗細則,還要確定信標與探測器之間聯試項目的測試細則和進度安排,任務十分艱巨。靠著研製人員的奔波與資源協調,項目得以繼續按計劃開展,團隊也實現了科學防疫和科研攻關兩不誤。

2019年11月底,火星應急信標裝置正樣產品順利投產。2020年4月信標裝置正式交付。

來源:科技日報

編輯:嶽靚

審核:王小龍

終審:冷文生

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