中國首創應急信標裝置 為天問一號裝上“會打電話的黑匣子”

5月15日，執行我國首次火星探測任務的天問一號探測器在火星烏托邦平原南部預選著陸區著陸，邁出了我國星際探測征程的重要一步。后續，祝融號火星車將依次開展對著陸點全局成像、自檢駛離著陸平臺并開展巡視探測。

火星探測器應急信標裝置研制團隊負責人、副總設計師、南京航空航天大學航天學院(以下簡稱“南航航天學院”)副院長王寅走出北京航天指揮控制中心的觀測現場時，仍難掩激動和喜悅：“心情非常激動!在探測器著陸的時候，所有人都鼓掌擁抱!”

中國首創“會打電話的黑匣子”

王寅所帶領的團隊研制的應急信標裝置能在天問一號探測器非預期著陸時傳輸數據，就像是個“會打電話的黑匣子”。

王寅介紹：“火星探測器信標裝置是世界上首個航天器應用的應急通信載荷，它的主要功能和飛機上的黑匣子相似，但是又有所區別。飛機上的黑匣子不能主動傳輸數據，只能發送一個定位的信號，用于被搜索。而信標裝置可以發送關鍵的數據和信號，被火星的環繞器接收，解讀其中的關鍵數據。”

應急信標裝置要在天問一號著陸火星時抵抗高強度的沖擊，要能在火星零下一百三十度的環境下生存好幾天，在體積盡可能小的同時還要保持通信暢通，這是中國獨創的設計。

“這是對研制團隊極大的技術挑戰。信標裝置測控系統的模塊和同類型的產品相比，重量上要求減小20倍以上。在這樣一個極小的空間里面，我們做得越小就越難。”王寅說，“這是一個結構、尺寸、材料相互組合和優化的創新過程。材料的特性選擇不同，材料的尺寸不同，最后它對于沖擊的吸收能力也是不一樣的。另外，保溫和抗沖擊是兩個相反的需求。要想保溫，材料就要比較柔軟，就像羽絨服一樣，非常軟但是不能抗沖擊。要想抗沖擊就需要堅硬的材料，但保溫性能就比較差。怎樣在這兩種需求中找到平衡點，是一件非常困難的事情。”

面對困難義無反顧

在南航航天學院的實驗室里，記者見到了應急信標裝置的試驗件。它不到4公斤，像個精致的小保溫桶，在成型之前，經歷了無數次的更新迭代。

電子系統是應急信標裝置的中樞神經，不能出一絲差錯。南航航天學院副教授王小濤就是負責這個“中樞神經系統”的主任設計師。要在不到兩年的時間里完成一個沒有可借鑒先例、一切從零開始的超高難度任務，看似不可能，但火星探測器系統總指揮、總設計師顧問、南航航天學院院長葉培建院士打下的“強心針”讓這支平均年齡30歲出頭的年輕團隊在面對困難，甚至是危險時仍然義無反顧。

“2019年年初，葉院士在我們整個火星項目團隊開會時強調，我們年初的時候一定要堅定信念，就是我們一定要成功。只有這樣，經過一年的不斷努力，我們才必定能成功。”王小濤回憶。

高速沖擊實驗要用火炮發射信標，來模擬火星探測器異常著陸時的速度，保證信標在高速沖擊下內部結構不散架，安全完成信息傳輸任務。團隊負責人王寅說：“這個實驗整整做了一個月。炮管的口徑和信標的尺寸不匹配，為了解決這個問題，最后我們給信標做了一個外殼，再通過火炮發射出去。在離開火炮炮管以后，外殼和信標能夠脫離。”

應急信標裝置主任設計師、南航航天學院副教授張子建透露，曾經有一次高速沖擊實驗著實讓他后怕：“當時要近距離拍攝，大家找了一個紙箱子在高速相機前擋著。有一次有個碎石一樣的東西反彈，打到相機支架的鎖扣上，一下子就把鎖扣打沒了。但是你還必須在那兒摁開關，它只記錄幾秒鐘的時間。”

絕不帶著問題上天

離探測器轉運到海南的文昌航天發射場只有兩周左右的時間，絕大多數的測試都已經完成，就在應急信標裝置即將交付時，王寅面臨一個重大抉擇。

王寅說：“最后幾次綜合測試時，我們在信標的通信上發現了一個小的問題，就是傳輸的數據并不是很完整。由于數據是重復發送的，并不影響它的使用。當時想到的是，既然數據傳輸不完整，那么一定存在問題，不能夠帶著問題上天。但是如果推倒重來，那么后面還需要再次補充測試，留給我們的時間非常少。這在當時是一個非常困難的決定，最后我們還是把信標取回來重新檢測，把問題找出來。”

出現問題的是王小濤負責的電路系統。王小濤說：“當時我們連夜趕到北京去，到了賓館接近12點了，但是大家都沒有休息，直接動手去連接調試。結果測了一天一夜，總覺著它沒有問題，但是后來繼續測就發現和正常的不太一樣了。回到南京后繼續變化條件反復測，每天都要測好多遍，最終找到了電磁兼容的一個關鍵地方。后來我們把通信的協議稍微修改了一下，就再也沒有出現問題了。”(蘇雁 林溪 周長城)