王煜塵：南極“特種兵科考”之COOL旅

王煜塵 馬春梅

白茫茫的冰原曠野上，我一個(gè)人背著尚有余溫的電腦，一腳深一腳淺地往營地方向走，那是我最孤獨(dú)的時(shí)刻，也是我最滿足的時(shí)刻。那天沒有風(fēng)，氣溫很低，但陽光照耀下，我的臉頰滾燙，衣服也是熱的

這場(chǎng)景聽起來好似科幻電影，但其實(shí)是我在南極的親身經(jīng)歷。這是2019年的最后一天，我在內(nèi)陸泰山站空間物理觀測(cè)艙調(diào)試系統(tǒng)，由于雷達(dá)淺層探測(cè)任務(wù)需要在撤站前完成，所以在新年到來之前，我必須做好空間物理觀測(cè)艙的封艙和調(diào)試工作。此外，澳大利亞代表團(tuán)也將飛抵泰山站訪問交流，我負(fù)責(zé)的科研觀測(cè)系統(tǒng)是交流參觀的主體部分之一，屆時(shí)需要完成空間環(huán)境與傳感器功能的整體實(shí)現(xiàn)。這些任務(wù)加在一起，注定了我的極地跨年夜必有一場(chǎng)鏖戰(zhàn)。那天我一直調(diào)試到凌晨3點(diǎn)，感覺一轉(zhuǎn)眼的工夫，就已經(jīng)來到2020年的第一天了。

早上，我終于完成了最后一次試運(yùn)行，推開艙門，感覺后腦勺突然有些漲，我想可能是剛剛搬運(yùn)設(shè)備消耗了體力，再加上長時(shí)間熬夜，產(chǎn)生了輕微的高原反應(yīng)吧（泰山站氧氣稀薄程度相當(dāng)于國內(nèi)拉薩地區(qū)）?；秀敝g，我看見天空中出現(xiàn)了5個(gè)光斑，一時(shí)間分不清這是幻覺還是實(shí)景，便用手機(jī)記錄了下來。事后看手機(jī)，原來是日暈。隨后，我拖著疲憊的身體往營地走，也就出現(xiàn)了開頭的那一幕。

王煜塵，太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院電氣工程專業(yè)2019級(jí)博士研究生，中國第36次、38次、39次南極考察隊(duì)隊(duì)員，2022年“中國最美大學(xué)生”。他參與過南極內(nèi)陸隊(duì)、越冬隊(duì)、固定翼飛機(jī)隊(duì)，在極地共工作了692天。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了5項(xiàng)南北極考察專用裝備，實(shí)現(xiàn)了我國最南緯度的磁層與電離層無人值守耦合觀測(cè)，以及北冰洋中心區(qū)跨年際海冰圖像監(jiān)測(cè)

“特種兵”開練

在中國南極考察隊(duì)中，一直存在著兩支神秘的“特種部隊(duì)”，內(nèi)陸隊(duì)和越冬隊(duì)。老隊(duì)員常幽默又自豪地說，參加內(nèi)陸隊(duì)是短痛，參加越冬隊(duì)便是長痛。榮幸的是，作為老隊(duì)員的我，完整地體驗(yàn)了這兩種痛。

這次“鏖戰(zhàn)跨年夜”，是我作為內(nèi)陸隊(duì)員經(jīng)歷的一次“短痛”。那次南極科考考察隊(duì)是2019年10月27日出發(fā)的。我作為中國第36次南極科考內(nèi)陸隊(duì)隊(duì)員，隨隊(duì)12月15日出發(fā)深入南極洲腹地開展實(shí)驗(yàn)和調(diào)查。我的主要任務(wù)有3個(gè)，分別是：PANDA沿線（中國南極考察內(nèi)陸行進(jìn)路線）以及泰山站區(qū)周圍淺層冰雷達(dá)探測(cè)，泰山站站區(qū)空間物理觀測(cè)系統(tǒng)的搭建與調(diào)試，幫助隊(duì)友建設(shè)泰山站新能源設(shè)施。

執(zhí)行任務(wù)時(shí)，我們遇到了不少棘手的工程問題。泰山站空間物理觀測(cè)艙是一套首次布置在南極內(nèi)陸地區(qū)的空間物理觀測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，我們?cè)趪鴥?nèi)聯(lián)合調(diào)試時(shí)，沒有充分考慮到極地低溫和能量限制的條件，結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作中就遇到了Bug——當(dāng)由于低溫或者能量不足導(dǎo)致系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)后，加熱系統(tǒng)就無法自動(dòng)重新啟動(dòng)。在無人值守的情況下，加熱系統(tǒng)一旦“罷工”，整個(gè)觀測(cè)艙就會(huì)在極地環(huán)境中長時(shí)間處于低溫狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部的電池必會(huì)遭受不可逆的損傷，從而影響觀測(cè)設(shè)備運(yùn)行以及重要數(shù)據(jù)采集。

針對(duì)斷電后加熱器無法自啟動(dòng)的問題，我想建立一個(gè)描述系統(tǒng)能量收支的物理信息模型，這樣就可以幫助系統(tǒng)在無人值守期間，保障基本觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，還能使運(yùn)行更節(jié)能。于是，我利用備用的電路板加熱材料和功率模塊，組裝調(diào)試成了一個(gè)帶有功率監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)功能的自動(dòng)加熱切換功率電路。這樣，不僅確保了系統(tǒng)斷電后可以自啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自加熱，而且在嵌入人工智能算法后，還可以對(duì)未來一段時(shí)期的能量消耗進(jìn)行預(yù)測(cè)，科學(xué)地進(jìn)行能量配比，有效保持裝備室內(nèi)外焓差（指焓的差值。焓，熱力學(xué)中表征物質(zhì)系統(tǒng)能量的重要狀態(tài)參量）。升級(jí)系統(tǒng)啟用后，我看到全天空成像儀的穹頂罩在夜里也不再結(jié)霜，內(nèi)心無比興奮，我知道，這回獲得相關(guān)感測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)——穩(wěn)了！

2020年2月14日我們回到了中山站，近80天的極地內(nèi)陸生活畫上了句號(hào)。這是我的第一次“特種兵”練兵之旅。

拉絲曼丘陵“守夜人”

我的第二次南極之行于2021年11月3日拉開序幕，進(jìn)行了17個(gè)月。這是一次馬拉松，一場(chǎng)跨越極晝與極夜的戰(zhàn)斗。之前說過南極越冬考察是“長痛”，而我卻非常向往。

我是儀器儀表專業(yè)方向的研究者，這次出征，我的工作單元是子午工程（空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）下屬的觀測(cè)臺(tái)站。如果你是細(xì)心的《三體》迷，或許可以理解，小說中地球三體組織的“統(tǒng)帥”葉文潔在雷達(dá)峰的工作，不管是合作單位還是工作地屬性都與我的工作非常像。當(dāng)我行走著，聽著狂風(fēng)吹起線纜的嘯叫聲時(shí)，我感覺東南極洲拉絲曼丘陵又多了一位守夜人。

2022年，中國空間站完成了多次重要發(fā)射，每一次發(fā)射前夕，遠(yuǎn)在萬里之外的南極洲的我，都會(huì)對(duì)南極的兩部設(shè)備進(jìn)行加密觀測(cè)設(shè)置，并24小時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)儀器的數(shù)據(jù)質(zhì)量。當(dāng)然，我只是發(fā)射任務(wù)中上百個(gè)地面保障單元執(zhí)行者中的一位，但也是不可或缺的。

作為一名嵌入式工程師，我要做的是保障極地環(huán)境中設(shè)備的健康狀態(tài)。我負(fù)責(zé)維護(hù)的設(shè)備有測(cè)高儀、高頻雷達(dá)、感應(yīng)式/通門式磁力計(jì)、宇宙背景噪聲觀測(cè)儀、全天空成像儀、激光成像儀，還間接參與維護(hù)鈉熒光多普勒激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)以及相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)。這些儀器確保了我們?cè)跇O區(qū)可以對(duì)地球空間進(jìn)行磁層、電離層以及中低層大氣的全方位觀測(cè)。

強(qiáng)勁的山風(fēng)中每兩天一次爬上西南高地去檢查高頻雷達(dá)設(shè)備。這兩天一次的南極巡山，使我在一年中走壞了兩雙極地考察專用的戶外靴子。

即使大費(fèi)周章，我們也堅(jiān)持在南極采集地球空間環(huán)境變化的數(shù)據(jù)，這主要是因?yàn)槟蠘O的地理位置和環(huán)境條件極其特殊。南極幾乎沒有人類活動(dòng)和污染，因此能夠提供相對(duì)純凈的環(huán)境。此外，南極擁有豐富的冰雪資源，其冰蓋覆蓋著大量的氣候和環(huán)境信息，可以被視作地球氣候變化的“檔案”。南極地區(qū)還擁有獨(dú)特的大氣環(huán)流和電離層結(jié)構(gòu)，這些特殊的大氣和空間環(huán)境讓南極成為研究太陽活動(dòng)、太陽風(fēng)、宇宙射線等空間現(xiàn)象的天選之地。通過在南極進(jìn)行地球空間環(huán)境變化研究，我們可以更好地探求太陽活動(dòng)對(duì)地球的影響，揭示地球與太陽之間復(fù)雜的相互作用過程等。這些研究成果對(duì)于預(yù)測(cè)太空天氣、保護(hù)衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)，以及理解地球氣候變化等都具有重要意義。

極地工作期間，我也學(xué)到了很多本專業(yè)以外的知識(shí)。我時(shí)常跟天文與空間物理學(xué)專業(yè)的隊(duì)友打交道，便也對(duì)他們研究的學(xué)科有了初步了解。其中，空間物理學(xué)著重研究地球空間、日地空間和太陽系空間的物理過程和變化規(guī)律，主要研究對(duì)象包括太陽、行星際空間，地球和行星的磁層、電離層、大氣層，以及幾者之間的相互作用和因果關(guān)系。此外，高空物理學(xué)主要研究大氣層和電離層等高空環(huán)境中的物理現(xiàn)象和過程，涉及通信和導(dǎo)航技術(shù)的改進(jìn)、太空天氣預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)管理、環(huán)境保護(hù)和氣候變化研究、航空航天技術(shù)發(fā)展等方面。記得之前學(xué)習(xí)過一則有關(guān)加拿大魁北克大停電事故的案例，1989年3月13日的強(qiáng)極光出現(xiàn)在魁北克上空，伴隨而來的地磁暴便使魁北克全省的供電系統(tǒng)癱瘓，600萬加拿大人在長達(dá)9小時(shí)內(nèi)無電可用。罪魁禍?zhǔn)拙褪谴疟┮鸬母袘?yīng)電場(chǎng)，感應(yīng)電場(chǎng)在輸電線的兩端加上了一個(gè)額外的電壓，多臺(tái)變壓器因過載而燒毀，制造、安裝新變壓器花去了幾個(gè)月的時(shí)間。從這個(gè)例子可以看出，那些聽起來遙不可及的前沿科學(xué)研究，以及為此提供了重要數(shù)據(jù)支撐的南極科考工作，實(shí)際上時(shí)刻聯(lián)系著我們的日常生活和生產(chǎn)。了解這些知識(shí)，與這些專業(yè)的學(xué)生交流，對(duì)我工作也有不少助力。

無人戰(zhàn)隊(duì)“指揮官”

南極越冬考察是一次寶貴的機(jī)會(huì)，不少科研項(xiàng)目也都需要極地?cái)?shù)據(jù)的支撐。駐在極地工作期間，我收到了同濟(jì)大學(xué)、上海大學(xué)、南開大學(xué)、清華大學(xué)，以及中國科學(xué)院空天院、沈陽自動(dòng)化研究所、還有大疆公司等單位的委托，幫助他們?cè)谀蠘O進(jìn)行多類無人自主系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。我進(jìn)行了無人履帶車（野外、站區(qū)、室內(nèi)）測(cè)試實(shí)驗(yàn)，無人機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以及無人船冰海測(cè)試。我手中儼然操控著一支極地海陸空無人系統(tǒng)戰(zhàn)隊(duì)。

無人車測(cè)試是最困難的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，前后經(jīng)歷了4個(gè)月的時(shí)間，不僅要完成室外的無人載具的越冬期間示范性展示和性能驗(yàn)證，還要完成無人載具鏈路搭建的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

極區(qū)考察站與國內(nèi)的通信是由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的，信號(hào)的傳輸原理和方式同在月球上通訊類似。實(shí)現(xiàn)南極地區(qū)大型載具的遙控操作和自我規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，對(duì)未來發(fā)展星際無人車的通訊和控制鏈路具有重要意義。

為了保證實(shí)驗(yàn)效果，我在這4個(gè)月里不得不適應(yīng)的一件事，便是極夜期間的“切割式”睡眠。雖然極夜一直是黑的，但考察隊(duì)員的作息時(shí)間依舊是根據(jù)東五區(qū)的時(shí)間進(jìn)行。為了保障機(jī)器人的通訊帶寬不受日常工作影響，我把測(cè)試時(shí)間建在當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨4點(diǎn)至6點(diǎn)，因?yàn)?點(diǎn)以后，其他業(yè)務(wù)的用網(wǎng)流量將增長起來，難免對(duì)測(cè)試造成影響。

那4個(gè)月的極夜，只要測(cè)試鏈路，我一天的睡眠就不得已被拆分成4小時(shí)-1小時(shí)-1小時(shí)，我佩戴的運(yùn)動(dòng)手環(huán)顯示，睡眠質(zhì)量一度下降到了60分。就這樣強(qiáng)睜著惺忪的雙眼，我在中山站下夾層進(jìn)行了一個(gè)月的鏈路測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了中山站內(nèi)的室內(nèi)機(jī)器人小車國內(nèi)遠(yuǎn)程遙控操作。

實(shí)現(xiàn)室內(nèi)機(jī)器人小車成功控制后，室外機(jī)器人小車測(cè)試的準(zhǔn)備工作便提上議程。機(jī)器人小車要在南極完成越冬期間的長時(shí)間巡邏監(jiān)測(cè)，越障性能和能源系統(tǒng)是決定機(jī)器人生命周期的重要因素。

此次實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)器人小車是多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)共同的寶貝：結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所卜春光老師、何玉慶老師設(shè)計(jì)，在國內(nèi)的遙操作軟件與操控系統(tǒng)由南開大學(xué)張雪波教授團(tuán)隊(duì)完成，車載的科學(xué)載荷和相關(guān)非標(biāo)傳感器由太原理工大學(xué)竇銀科教授課題組提供，整體南極機(jī)器人遙操作實(shí)驗(yàn)由中山站站長郭井學(xué)高工統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，單是把機(jī)器人運(yùn)輸?shù)秸緟^(qū)野外環(huán)境中就是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。機(jī)器人能在冰上輕巧行走得益于它有著重達(dá)上百斤的履帶，如果它遇到剛剛降下的一米多深的松軟積雪時(shí)，那就步履艱難甚至寸步難行了。因此，給機(jī)器人規(guī)劃好走的，“腳”下有巖石的路線和區(qū)域，就是我需要解決的第一個(gè)問題。好在站區(qū)有之前使用無人機(jī)采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于此進(jìn)行規(guī)劃，一塊適合機(jī)器人的作業(yè)區(qū)域在電腦中便生成了，再結(jié)合機(jī)器人本身的定位數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試便可順利推進(jìn)。

就這樣，通過不斷改進(jìn)，我們終于成功實(shí)現(xiàn)了在國內(nèi)控制南極機(jī)器人小車的操作，此外，在南極控制國內(nèi)的鏈路也獲得成功。

無論是無人車、無人艇還是無人機(jī)，每項(xiàng)設(shè)備在經(jīng)歷極地嚴(yán)酷環(huán)境考驗(yàn)時(shí)，均會(huì)遭受不同程度的損壞，或會(huì)暴露待改進(jìn)的方面。遇到突發(fā)情況，我時(shí)常就地取材：無人機(jī)機(jī)臂折斷，我焊接好后找機(jī)械師幫忙，選了一段PVC管作為代替件，機(jī)器隨后便又翱翔天空了。無人車的轉(zhuǎn)向鍵槽長時(shí)間磨損，我請(qǐng)機(jī)械師幫我加工一個(gè)鐵塊鍵后，就讓無人車再次馳騁雪原。無人艇在經(jīng)歷過極區(qū)的全天候低溫以及大型海冰撞擊后，全靠我們?cè)屯胺ね瓿闪藢?duì)它的回收，我還使用汽油機(jī)完成了無人艇的“電”改“油”。南極科考“特種兵”煉成了。

責(zé)任編輯：張琦