十年前的秋天，俄羅斯“福布斯—土壤”火星探測器發(fā)射失敗，隨之失聯(lián)的，還有搭載于其上的中國火星探測計劃第一顆探測器——“螢火一號”。
“很難過?！焙退袇⑴c“螢火一號”載荷研制的科研人員一樣，中科院國家空間科學中心研究員張愛兵心里不甘卻又無奈?！拔灮鹨惶枴鄙系牡入x子體探測包，就由他們團隊研制。
2015年9月，這支團隊重整旗鼓，承擔起中國第一次自主火星探測任務“天問一號”的載荷任務，負責研制火星離子與中性粒子分析儀。
前不久，“天問一號”成功傳回高清火星照讓大家興奮不已。據悉，經風險評估后，“天問一號”將在5月到6月?lián)駲C著陸火星，進行巡視探測。
起點：“你們太有野心了”
“天問一號”之所以要搭載這個載荷，為的是通過測量火星空間環(huán)境中的離子和中性粒子這兩種物質，回答太陽風與火星之間是怎么相互作用的、火星大氣逃逸機制是什么樣的。同時，通過太陽風離子探測，研究太陽風在行星際的傳播特性。
由于離子帶電，中性粒子不帶電，科學家測量它們時通常會使用兩臺儀器。但對于要向火星遠航的“天問一號”來說，探測器上的每一寸面積都倍加珍貴，每一克負重都尤為關鍵。張愛兵想：有沒有可能合二為一？
“如果做成兩臺儀器，當然會容易些，但重量肯定就超了。所以，我們要設計一個全新的方案?！睆垚郾f。
就在他們討論設計思路時，恰好來訪的德國馬普研究所高級研究員、粒子探測載荷研制專家Berndt Klecker得知了他們的想法?！澳銈冞@個想法太有野心了?！泵鎸π坌牟闹袊?，Klecker直言。
Klecker的話不是沒有道理，但這支曾參與過“嫦娥一號”“嫦娥二號”“螢火一號”、風云衛(wèi)星類似載荷項目的團隊對自己有信心。
2015年9月，帶著“二合一”的方案，張愛兵參加了“天問一號”的載荷遴選答辯。經過激烈角逐，方案獲得評審專家青睞。
遴選勝出后，張愛兵和團隊成員孔令高、鄭香脂足足興奮了一整晚，他們曾經一起參與“螢火一號”項目，又一起經歷了失敗的傷痛，現(xiàn)在，是重整旗鼓、再度出征的時候了。
研制：“撲面而來的壓力”
喜悅和興奮只停留了一晚?！熬o隨的是撲面而來的壓力?！编嵪阒貞洝?/font>
“二合一”的方案前所未有，實現(xiàn)難度可想而知。
對于負責傳感器設計的孔令高來說，難度在于設計“開關”和“通道”?！拔覀円O計兩個開關和兩個通道，在1秒鐘里，前半秒要把離子的通道打開，中性粒子的通道關閉，測量離子；后半秒要把中性粒子的通道打開，離子的通道關閉。而且還要讓它們最大限度共用一部分通道，從而實現(xiàn)小型化。這是以前從沒做過的。”
對于負責軟件設計的鄭香脂來說，難度也是以往項目難以比擬的：“我們提出了10種探測模式，每種模式涉及參數(shù)非常多。同時，由于火星離地球太遠，數(shù)據上傳下達時有較大限制。一方面，地球指令發(fā)出后，衛(wèi)星反應所需時間長，因此，我們要讓儀器盡可能智能化，不借助地面干預，隨機應變；另一方面，傳回的數(shù)據量有限，我們要保證傳回的有用信息不損失?！?/font>
對于負責電子學設計的團隊成員田崢來說，挑戰(zhàn)同樣大?！盀榱思葴p少電荷靈敏放大器的使用，又保證測量精度，我們用4片芯片替代了原來需要的32片芯片。為了把前端的傳感器做到小型化，我們對后端的電子學高壓提出了苛刻的要求，設備電子學內部最高輸出電壓高達15000伏，這在我們以往的載荷中不曾有過?！?/font>
波折：“心一直是起起落落”
“新技術從不成熟到成熟，不是一帆風順的?！碧飴樥f。
團隊的核心成員有十多名，都正值三四十歲的科研盛產期，也都是經驗豐富的“老手”。即便如此，他們還是經歷了大大小小的波折。
2017年10月，載荷的原理樣機研制完成，沒想到，做測試時樣機測不到任何有效數(shù)據。原理似乎沒走通，一切可能都要推倒重來。團隊成員一個個焦頭爛額。“哪怕是測到的數(shù)值不準確，也比什么都測不到要好，至少我們能知道排查哪方面的問題?！笨琢罡哒f。無奈之下，他們只能沒日沒夜地排查每一個環(huán)節(jié)。幸運的是，一周后，問題找到了，進度很快趕了上來。
“整個研制過程中，大家的心一直是起起落落?！编嵪阒锌?/font>
老天時不時會跟他們開個玩笑。2019年初，載荷任務只差臨門一腳——做標定，揪心的事又出現(xiàn)了。
對于衛(wèi)星載荷來說，地面標定工作非常重要，沒有經過標定的探測器，就像是沒有校準的秤，無法判斷探測到的數(shù)值是否準確。由于國內沒有中性粒子標定設備，載荷正樣做出來之后，團隊成員帶著它前往瑞士伯爾尼大學。
標定時，載荷被放在一個可以產生中性粒子的“大罐子”里，團隊成員通過電腦屏幕監(jiān)測載荷的工作狀態(tài)。很快他們發(fā)現(xiàn)，氧原子的探測數(shù)值跟“罐子”里實際給的量不一致。
氣氛瞬間緊張起來。參數(shù)不對，說明儀器可能存在缺陷、需要返修，而時間已經不多了。如果趕不上衛(wèi)星進度，會有兩個后果，一是載荷要被放棄，二是探測計劃要整體后延……來不及再往下想，張愛兵和團隊成員抓緊時間討論?？墒?，大家怎么都找不到問題根源。于是，他們又去跟定標工作人員溝通，反復幾次，最終才發(fā)現(xiàn)，原來是工作人員向“大罐子”注入粒子源時，將氧原子誤操作成了氧分子。
直到2020年10月31日火星離子與中性粒子分析儀正常開機探測，看著彎彎曲曲的數(shù)據曲線一點點從遙遠的太空傳回地面，大家起伏不定的心才徹底放下。
收獲：“你們用幾年走了我們10年才能走完的路”
“現(xiàn)在儀器工作非常正常，傳回的數(shù)據非常不錯?！睆垚郾y掩興奮。
看到中國同行在該類載荷技術方面的巨大進步，瑞典空間物理研究所所長Stas Barabash驚嘆：“你們用幾年走了我們10年才能走完的路?！?/font>
曾認為中國同行“有野心”的Klecker不僅為這支團隊感到高興，還有意愿參與之后的數(shù)據研究工作。
回顧這些年走過的路，大家不約而同地用一個詞道出他們成功的秘訣——團隊協(xié)作。這個詞的背后，是團隊成員一起熬過的一個個深夜，是項目遇到困難時彼此間的鼓勁和安慰，是大家為了攻克難題而一起度過的每一個節(jié)假日，是家人對他們的每一分支持。
搭載著“天問一號”，載荷團隊的青春在遙遠的火星綻放。
《中國科學報》 (2021-03-24 第1版 要聞)
