功成不必在我，功成必定有我

張建

2021年5月15日，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器的著陸巡視器成功降落在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，這是中國(guó)航天器首次在地外行星著陸。從此，這顆紅色的星球上有了中國(guó)的印跡。

“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器是中國(guó)航天走向更遠(yuǎn)深空的國(guó)之重器，集千千萬(wàn)萬(wàn)科技工作者的智慧于一身。在辛苦付出的科技工作者中，就有南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器信標(biāo)裝置研制團(tuán)隊(duì)（簡(jiǎn)稱信標(biāo)團(tuán)隊(duì)）的身影。

這是全國(guó)唯一一個(gè)獨(dú)立承擔(dān)探測(cè)器單機(jī)載荷的高校團(tuán)隊(duì)。

信標(biāo)團(tuán)隊(duì)研制的應(yīng)急信標(biāo)裝置（簡(jiǎn)稱信標(biāo)）被稱為“會(huì)主動(dòng)打電話的黑匣子”，是世界上首個(gè)航天器應(yīng)用的應(yīng)急通信載荷。

在不到兩年的時(shí)間里，信標(biāo)團(tuán)隊(duì)先后攻克高沖擊防護(hù)、極限空間電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、極限能源熱控等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，實(shí)現(xiàn)信標(biāo)裝置從無(wú)到有。

信標(biāo)團(tuán)隊(duì)的付出令人矚目，為表彰信標(biāo)團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)，2021年“五四”前夕，團(tuán)江蘇省委、江蘇省青聯(lián)授予信標(biāo)團(tuán)隊(duì)“江蘇五四青年獎(jiǎng)?wù)录w”榮譽(yù)。

主動(dòng)請(qǐng)纓，觸摸未知

著陸巡視器降落時(shí)，信標(biāo)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院副院長(zhǎng)王寅作為參研參試單位的代表，在北京航天指揮控制中心觀測(cè)、判讀信標(biāo)數(shù)據(jù)。

2021年5月15日凌晨1時(shí)許，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器在停泊軌道實(shí)施降軌，機(jī)動(dòng)至火星進(jìn)入軌道。4時(shí)許，環(huán)繞器和著陸巡視器分離，經(jīng)過(guò)約3小時(shí)的飛行后，著陸巡視器進(jìn)入火星大氣層。此后，著陸巡視器就開(kāi)始了一段驚心動(dòng)魄的旅程，在約9分鐘的時(shí)間里，要先后自主執(zhí)行氣動(dòng)減速、傘降減速、動(dòng)力減速、懸停避障與緩速下降多個(gè)程序，無(wú)法從地面獲得支持。

王寅說(shuō)，信標(biāo)裝置要記錄并發(fā)送的，就是探測(cè)器從降軌到著陸整個(gè)過(guò)程中關(guān)鍵事件的發(fā)生時(shí)間和著陸巡視器的動(dòng)作參數(shù)。

在探測(cè)器降軌前，信標(biāo)就已經(jīng)開(kāi)機(jī)，在軌道上和地面進(jìn)行通信。地面發(fā)出遙控指令，向探測(cè)器注入?yún)?shù)，在環(huán)繞器和著陸巡視器分離后，信標(biāo)正式開(kāi)始工作。

在落火的過(guò)程中，雖然有實(shí)時(shí)遙測(cè)，會(huì)傳回來(lái)一些數(shù)據(jù)，但是火星和地球的距離很遠(yuǎn)，通訊有時(shí)延，而且通信的帶寬很小，王寅看到的數(shù)據(jù)不是特別連續(xù)，有的數(shù)據(jù)要過(guò)好長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)更新一次。著陸巡視器落火后第四天，完整的數(shù)據(jù)才發(fā)回來(lái)。

著陸巡視器落火之后，王寅就比較放松了，他對(duì)信標(biāo)的工作狀態(tài)還是比較有信心的，在整個(gè)降落過(guò)程中，信標(biāo)是正常運(yùn)行的，后續(xù)的信號(hào)傳輸不會(huì)有問(wèn)題。

信標(biāo)是獨(dú)立運(yùn)行的載荷，設(shè)計(jì)壽命是四個(gè)火星日（與地球相比，一個(gè)火星日約24小時(shí)38分），裝在著陸巡視器著陸平臺(tái)上。落火兩個(gè)小時(shí)后，著陸平臺(tái)就停止工作，而信標(biāo)又不能從“祝融號(hào)”火星車上獲取電源，只能靠自身攜帶的能源工作。

研制信標(biāo)，目的是為我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)作最壞的打算。

截至2020年6月的數(shù)據(jù)顯示，火星探測(cè)器著陸的成功率不足50%?！疤靻?wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器是我國(guó)首次向火星發(fā)射的航天器，假如探測(cè)器遇到極端狀況，沒(méi)有真正平穩(wěn)降落到火星表面，工程技術(shù)人員如何獲取數(shù)據(jù)并分析產(chǎn)生故障的原因？

專家提出要求，得設(shè)計(jì)一個(gè)能扛住嚴(yán)苛的環(huán)境獨(dú)立工作、同時(shí)記錄著陸參數(shù)并能傳輸數(shù)據(jù)的載荷，即俗稱的“信標(biāo)”。

“我們知道后，很快就拿出方案并做了初步的論證，然后向火星探測(cè)任務(wù)總體設(shè)計(jì)部門作了匯報(bào)，經(jīng)評(píng)估后，我們的方案是可行的?！蓖跻f(shuō)。

2018年8月，“天問(wèn)一號(hào)”火星應(yīng)急信標(biāo)裝置研制團(tuán)隊(duì)在南航正式成立，信標(biāo)團(tuán)隊(duì)以航天學(xué)院的王小濤、張子建、許蕾等骨干教師為核心力量。

成立之初，信標(biāo)團(tuán)隊(duì)就時(shí)刻面對(duì)著時(shí)間緊、困難大的雙重壓力。

王寅清晰地記得當(dāng)時(shí)的緊迫感，“在探測(cè)器的研制進(jìn)度中，信標(biāo)的研制工作起步最晚，根據(jù)發(fā)射時(shí)間窗口（2020年7月—8月）倒推，從立項(xiàng)研制到最終交付只有一年多的時(shí)間。對(duì)航天型號(hào)來(lái)講，時(shí)間捉襟見(jiàn)肘，而且探測(cè)器可供分配的重量和尺寸都有嚴(yán)格的限制，我們團(tuán)隊(duì)的成員此前從未有過(guò)研制類似裝置的經(jīng)驗(yàn)。”

火星探測(cè)器有精確的發(fā)射窗口，如果錯(cuò)過(guò)了，整個(gè)火星探測(cè)工程就得延后兩年多，我國(guó)的火星探測(cè)的任務(wù)是不會(huì)推遲的，時(shí)間節(jié)點(diǎn)卡得很緊。

研制任務(wù)艱巨無(wú)比，但沒(méi)有人退縮。

信標(biāo)團(tuán)隊(duì)的想法一致：能參與這樣的任務(wù)，不管是對(duì)將來(lái)的教學(xué)還是科學(xué)研究，都是一個(gè)難得的機(jī)會(huì)。

王寅代表團(tuán)隊(duì)這么說(shuō)：“其實(shí)想一想，一個(gè)人一生能參與國(guó)家重大戰(zhàn)略工程的機(jī)會(huì)是很少的。所以，大家接受任務(wù)后，都在想著怎么一步一步把工作向前推進(jìn)，順利把這項(xiàng)工作完成。”

群策群力，挑戰(zhàn)難題

2018年11月，信標(biāo)設(shè)計(jì)的初步方案確定以后，進(jìn)入了漫長(zhǎng)的論證階段。

王寅和團(tuán)隊(duì)的第一個(gè)難關(guān)就是論證信標(biāo)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑，信標(biāo)應(yīng)該是什么樣的構(gòu)造？該怎么實(shí)現(xiàn)特定的功能？當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)參考了飛機(jī)的黑匣子、返回式衛(wèi)星的記錄儀和導(dǎo)彈的彈載記錄儀，發(fā)現(xiàn)這些裝置和信標(biāo)的設(shè)計(jì)是不一樣的。

與飛機(jī)的黑匣子相比，信標(biāo)功能更強(qiáng)大，不需要回收，自身就能夠?qū)㈥P(guān)鍵的數(shù)據(jù)傳輸出去，王寅稱其為“會(huì)主動(dòng)打電話的黑匣子”。

另外，信標(biāo)是用在航天器上的，在地外行星工作，必須具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

王寅說(shuō)：“這是一個(gè)原創(chuàng)性的工作，論證階段就是從零起步，沒(méi)有任何成功經(jīng)驗(yàn)可以借鑒?！?/p>

比如，信標(biāo)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案就經(jīng)歷了幾十次反復(fù)迭代。

電子系統(tǒng)是信標(biāo)的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，副教授王小濤是信標(biāo)電子系統(tǒng)的主任設(shè)計(jì)師。從確定任務(wù)開(kāi)始，他和團(tuán)隊(duì)成員差不多每周都輾轉(zhuǎn)三四個(gè)地方，找外協(xié)、請(qǐng)教專家、通宵做方案。因?yàn)楹芏嗍虑橐恢睉叶炊?，他一直很焦慮，經(jīng)常連續(xù)幾天睡不好覺(jué)。

其他技術(shù)指標(biāo)的論證工作莫不如此。

辛苦付出之后，2019年4月，信標(biāo)的整體設(shè)計(jì)方案終于通過(guò)評(píng)審。信標(biāo)被設(shè)計(jì)成重量不超過(guò)四千克的小圓桶形狀，圓桶的直徑不超過(guò)14厘米、高度不超過(guò)16厘米。

信標(biāo)的構(gòu)造確定為機(jī)、電、熱三部分，機(jī)就是結(jié)構(gòu)，包括防沖擊的機(jī)構(gòu)和支撐的結(jié)構(gòu);電，就是電器、能源管理、通訊等跟電相關(guān)的部件;信標(biāo)既得防寒，還得散熱，其實(shí)散熱還不是團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，主要還是防寒，因?yàn)榛鹦瞧骄鶞囟仁?70℃。

說(shuō)得簡(jiǎn)單點(diǎn)，信標(biāo)得結(jié)實(shí)扛摔、能自主供電、能發(fā)信息、能耐得住火星寒冷的環(huán)境。

方案論證難，把紙面上的設(shè)計(jì)圖變成合格的產(chǎn)品更難。

以電子系統(tǒng)為例，電性件、鑒定件、正樣件的設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、測(cè)試、試驗(yàn)，一個(gè)環(huán)節(jié)都不能少，為了趕進(jìn)度，團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)常在外協(xié)單位的實(shí)驗(yàn)室熬夜聯(lián)調(diào)，常常睡在實(shí)驗(yàn)室里。有時(shí)候，還得半夜爬起來(lái)聽(tīng)取外協(xié)單位的測(cè)試結(jié)果，取鑒定件繼續(xù)測(cè)試。

信標(biāo)小小的個(gè)頭，要求能扛住1萬(wàn)G的過(guò)載沖擊。高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)要用火炮發(fā)射信標(biāo)，來(lái)模擬火星探測(cè)器異常著陸時(shí)的速度，保證信標(biāo)在高速?zèng)_擊下內(nèi)部結(jié)構(gòu)不散架，安全完成信息傳輸任務(wù)。

副教授張子建在高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)中遇到了實(shí)實(shí)在在的危險(xiǎn)：“當(dāng)時(shí)要近距離拍攝，大家找了一個(gè)紙箱子在高速相機(jī)前面擋著。有一次，有一個(gè)碎石一樣的東西反彈，打到相機(jī)支架的鎖扣上，一下子就把鎖扣打沒(méi)了。但是參試人員必須在相機(jī)那里摁開(kāi)關(guān)，它只記錄幾秒鐘的時(shí)間。真的害怕，那次實(shí)驗(yàn)是我上的，因?yàn)槭俏邑?fù)責(zé)。當(dāng)時(shí)，家里人都不知道這件事，只有做實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)人知道?！?/p>

王寅十分清楚工作的艱難：“很多關(guān)鍵技術(shù)，無(wú)法通過(guò)仿真充分認(rèn)識(shí)，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)去了解其準(zhǔn)確性能。有時(shí)候，我們根據(jù)方案設(shè)計(jì)后發(fā)現(xiàn)不行，就得改方案，甚至是重新開(kāi)始。”

一個(gè)接一個(gè)的難題被解決了。

2019年11 月底，信標(biāo)正樣產(chǎn)品投產(chǎn)。

信標(biāo)交付之前，團(tuán)隊(duì)又經(jīng)歷一次嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

考慮到各種約束，電子系統(tǒng)在信標(biāo)內(nèi)部只有火柴盒大小，電磁兼容在設(shè)計(jì)之初就是團(tuán)隊(duì)非常擔(dān)心的問(wèn)題。

2020年3月初，電子系統(tǒng)在全閉環(huán)電信聯(lián)測(cè)的時(shí)候，射頻傳輸中備份信息有一些缺失的現(xiàn)象。王小濤和團(tuán)隊(duì)成員緊急趕往北京，在賓館里搭建臨時(shí)實(shí)驗(yàn)室，連續(xù)測(cè)試兩天兩夜，終于找出問(wèn)題。為保證電子系統(tǒng)絕對(duì)可靠，他和團(tuán)隊(duì)更換條件反復(fù)測(cè)試，經(jīng)常連夜作戰(zhàn)，高強(qiáng)度的工作帶來(lái)極大的壓力，有時(shí)候絕望到透不過(guò)氣來(lái)。

2020年4月，信標(biāo)交付后，王小濤壓力一下子沒(méi)有了，研制期間睡覺(jué)緊張出汗和突然驚醒的狀態(tài)也沒(méi)有了。

參與其中，方知甘苦

信標(biāo)交付了，不代表團(tuán)隊(duì)的工作結(jié)束了。

信標(biāo)裝到探測(cè)器上之前，就得和探測(cè)器上有信息交互的單機(jī)載荷進(jìn)行測(cè)試;裝到探測(cè)器上之后，還要和探測(cè)器進(jìn)行總體測(cè)試。這個(gè)測(cè)試分不同層次、不同階段，留給團(tuán)隊(duì)的時(shí)間并不多。

2020年4月底到5月初，信標(biāo)團(tuán)隊(duì)成員在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)參與了探測(cè)器B階段和C階段的整器聯(lián)測(cè)，完成了發(fā)射前最終的任務(wù)確認(rèn)。6月，又參與了著陸器合大底之前最終的測(cè)試。

2020年7月23日，長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭將“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道，探測(cè)器開(kāi)啟六個(gè)多月的奔火之旅。

探測(cè)火星跟探月還不一樣，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器上的很多載荷不是發(fā)射之后就工作的，而是陸續(xù)開(kāi)機(jī)的。在飛行途中，信標(biāo)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。這就存在一個(gè)問(wèn)題——信標(biāo)要長(zhǎng)期在空間環(huán)境中存儲(chǔ)。

對(duì)信標(biāo)來(lái)說(shuō)，這是有可能出問(wèn)題的一個(gè)環(huán)節(jié)。

王寅和信標(biāo)團(tuán)隊(duì)是擔(dān)心的，“火星探測(cè)器上其他的單機(jī)載荷都在地面做過(guò)1：1的真空環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，用來(lái)驗(yàn)證載荷的可靠性。我們沒(méi)有這個(gè)環(huán)節(jié)，真沒(méi)有那么多時(shí)間?！?/p>

2021年5月15日，探測(cè)器交出了完美的答卷。

2020年是火星探測(cè)的“大年”，在發(fā)射窗口，“天問(wèn)一號(hào)”其實(shí)是與阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”和美國(guó)的“毅力號(hào)”展開(kāi)同場(chǎng)競(jìng)技。“希望號(hào)”的目標(biāo)是環(huán)繞火星研究火星大氣，“天問(wèn)一號(hào)”和“毅力號(hào)”的目標(biāo)都是登陸火星。2021年2月，“希望號(hào)”與“天問(wèn)一號(hào)”進(jìn)入環(huán)火軌道，“毅力號(hào)”成功降落到火星表面。

“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、南航校友孫澤洲曾說(shuō)過(guò)，阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”環(huán)火成功，美國(guó)的“毅力號(hào)”也已經(jīng)著陸，“天問(wèn)一號(hào)” 在他心里已經(jīng)不是能不能完成任務(wù)這么簡(jiǎn)單了，他不太好用語(yǔ)言來(lái)表達(dá)所承受的壓力。

2021年6月，國(guó)家航天局舉辦新聞發(fā)布會(huì)。會(huì)議間隙，孫澤洲在接受媒體采訪時(shí)說(shuō)：“我們不希望它（信標(biāo)）在任務(wù)中發(fā)揮作用，一旦它發(fā)揮作用了，那我們的著陸可能就沒(méi)成功，或者出現(xiàn)很大的問(wèn)題。信標(biāo)雖然沒(méi)有發(fā)揮它的主作用，但是它的信息也通過(guò)平臺(tái)傳回地球?！?/p>

備而不用，孫澤洲寄語(yǔ)信標(biāo)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)思考信標(biāo)的技術(shù)升級(jí)與未來(lái)應(yīng)用。

小部件融入大工程，小團(tuán)隊(duì)融入大集體。

研制航天型號(hào)與學(xué)校的工作有很大差異。學(xué)校的科研一般是基礎(chǔ)研究或原理樣件研究，相對(duì)偏理論，應(yīng)用方面也是初步驗(yàn)證。

參與這項(xiàng)工程，信標(biāo)團(tuán)隊(duì)積累了一些經(jīng)驗(yàn)，走通了研制流程的各個(gè)環(huán)節(jié)，王寅說(shuō)：“以后如果再有這樣的項(xiàng)目，我們就有路可循，很多事情可以提前策劃和思考。我們做信標(biāo)項(xiàng)目的時(shí)候，是走一步看一步，很多環(huán)節(jié)并不熟悉，一些設(shè)計(jì)要求理解得并不深刻?！?/p>

航天精神的洗禮，或許沒(méi)法通過(guò)文字或語(yǔ)言去體會(huì)，必須經(jīng)歷以后才知道其中的甘苦。

有一句話，王寅覺(jué)得是對(duì)航天事業(yè)最好的詮釋——功成不必在我，功成必定有我。其實(shí)，一個(gè)航天型號(hào)或一項(xiàng)航天任務(wù)的背后有很多人在默默付出，他跟航天五院火星探測(cè)任務(wù)總體設(shè)計(jì)部門在一起工作的時(shí)候，能清晰地感受到這句話的內(nèi)涵，晚上十一二點(diǎn)，他們的辦公室還是燈火通明，工作都是連軸轉(zhuǎn)，而且非常細(xì)致。他說(shuō)：“航天事業(yè)有一個(gè)簡(jiǎn)單、直白的公式：100-1=0，意思是航天事業(yè)，任何一個(gè)失誤可能都會(huì)造成無(wú)法挽回的損失。航天的特點(diǎn)是單件生產(chǎn)（產(chǎn)品基本上是一次性需求的專用產(chǎn)品，一般不重復(fù)生產(chǎn)），每個(gè)任務(wù)都有不同的需求，每個(gè)任務(wù)可能都會(huì)有新的技術(shù)、新的挑戰(zhàn)，而且國(guó)家對(duì)航天事業(yè)的投入非常大，所以航天人只能走一條路，必須成功！”

新聞背景

我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)起點(diǎn)高、難度大、挑戰(zhàn)多，從論證階段開(kāi)始，就面臨著諸多難題。2013年，國(guó)家航天局基于前期成果，提出了“首次火星探測(cè)任務(wù)即實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視探測(cè)”的目標(biāo)，啟動(dòng)了任務(wù)方案論證和實(shí)施。2016年，工程立項(xiàng)后，參與工程實(shí)施的數(shù)千家單位、數(shù)萬(wàn)名科技工作者，突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，于2020年7月按計(jì)劃將“天問(wèn)一號(hào)”送入太空。經(jīng)過(guò)近7個(gè)月的奔火飛行和3個(gè)月的環(huán)火探測(cè)，“天問(wèn)一號(hào)”成功著陸火星，“祝融號(hào)”火星車駛上火星表面開(kāi)始巡視探測(cè)。