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张爱兵|研制“天问一号”载荷，他们几年走了别人10年的路

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十年前的秋天 ， 俄罗斯“福布斯—土壤”火星探测器发射失败 ， 随之失联的 ， 还有搭载于其上的中国火星探测计划第一颗探测器——“萤火一号” 。
“很难过 。 ”和所有参与“萤火一号”载荷研制的科研人员一样 ， 中科院国家空间科学中心研究员张爱兵心里不甘却又无奈 。
“萤火一号”上的等离子体探测包 ， 就由他们团队研制 。
2015年9月 ， 这支团队重整旗鼓 ， 承担起中国第一次自主火星探测任务“天问一号”的载荷任务 ， 负责研制火星离子与中性粒子分析仪 。
前不久 ， “天问一号”成功传回高清火星照让大家兴奋不已 。
据悉 ， 经风险评估后 ， “天问一号”将在5月到6月择机着陆火星 ， 进行巡视探测 。
起点：
“你们太有野心了”
“天问一号”之所以要搭载这个载荷 ， 为的是通过测量火星空间环境中的离子和中性粒子这两种物质 ， 回答太阳风与火星之间是怎么相互作用的、火星大气逃逸机制是什么样的 。
同时 ， 通过太阳风离子探测 ， 研究太阳风在行星际的传播特性 。
由于离子带电 ， 中性粒子不带电 ， 科学家测量它们时通常会使用两台仪器 。
但对于要向火星远航的“天问一号”来说 ， 探测器上的每一寸面积都倍加珍贵 ， 每一克负重都尤为关键 。 张爱兵想：有没有可能合二为一？
“如果做成两台仪器 ， 当然会容易些 ， 但重量肯定就超了 。 所以 ， 我们要设计一个全新的方案 。 ”张爱兵说 。
就在他们讨论设计思路时 ， 恰好来访的德国马普研究所高级研究员、粒子探测载荷研制专家BerndtKlecker得知了他们的想法 。
“你们这个想法太有野心了 。 ”面对雄心勃勃的中国同行 ， Klecker直言 。
Klecker的话不是没有道理 ， 但这支曾参与过“嫦娥一号”“嫦娥二号”“萤火一号”、风云卫星类似载荷项目的团队对自己有信心 。
2015年9月 ， 带着“二合一”的方案 ， 张爱兵参加了“天问一号”的载荷遴选答辩 。 经过激烈角逐 ， 方案获得评审专家青睐 。
遴选胜出后 ， 张爱兵和团队成员孔令高、郑香脂足足兴奋了一整晚 ， 他们曾经一起参与“萤火一号”项目 ， 又一起经历了失败的伤痛 ， 现在 ， 是重整旗鼓、再度出征的时候了 。
研制：
“扑面而来的压力”
喜悦和兴奋只停留了一晚 。
“紧随的是扑面而来的压力 。 ”郑香脂回忆 。
“二合一”的方案前所未有 ， 实现难度可想而知 。
对于负责传感器设计的孔令高来说 ， 难度在于设计“开关”和“通道” 。
“我们要设计两个开关和两个通道 ， 在1秒钟里 ， 前半秒要把离子的通道打开 ， 中性粒子的通道关闭 ， 测量离子；后半秒要把中性粒子的通道打开 ， 离子的通道关闭 。 而且还要让它们最大限度共用一部分通道 ， 从而实现小型化 。 这是以前从没做过的 。 ”
对于负责软件设计的郑香脂来说 ， 难度也是以往项目难以比拟的：“我们提出了10种探测模式 ， 每种模式涉及参数非常多 。
同时 ， 由于火星离地球太远 ， 数据上传下达时有较大限制 。
一方面 ， 地球指令发出后 ， 卫星反应所需时间长 ， 因此 ， 我们要让仪器尽可能智能化 ， 不借助地面干预 ， 随机应变；另一方面 ， 传回的数据量有限 ， 我们要保证传回的有用信息不损失 。 ”
对于负责电子学设计的团队成员田峥来说 ， 挑战同样大 。 “为了既减少电荷灵敏放大器的使用 ， 又保证测量精度 ， 我们用4片芯片替代了原来需要的32片芯片 。
为了把前端的传感器做到小型化 ， 我们对后端的电子学高压提出了苛刻的要求 ， 设备电子学内部最高输出电压高达15000伏 ， 这在我们以往的载荷中不曾有过 。 ”
波折：
“心一直是起起落落”
“新技术从不成熟到成熟 ， 不是一帆风顺的 。 ”田峥说 。
团队的核心成员有十多名 ， 都正值三四十岁的科研盛产期 ， 也都是经验丰富的“老手” 。 即便如此 ， 他们还是经历了大大小小的波折 。
2017年10月 ， 载荷的原理样机研制完成 ， 没想到 ， 做测试时样机测不到任何有效数据 。
原理似乎没走通 ， 一切可能都要推倒重来 。 团队成员一个个焦头烂额 。
“哪怕是测到的数值不准确 ， 也比什么都测不到要好 ， 至少我们能知道排查哪方面的问题 。 ”孔令高说 。
无奈之下 ， 他们只能没日没夜地排查每一个环节 。 幸运的是 ， 一周后 ， 问题找到了 ， 进度很快赶了上来 。
“整个研制过程中 ， 大家的心一直是起起落落 。 ”郑香脂感慨 。
老天时不时会跟他们开个玩笑 。
2019年初 ， 载荷任务只差临门一脚——做标定 ， 揪心的事又出现了 。
对于卫星载荷来说 ， 地面标定工作非常重要 ， 没有经过标定的探测器 ， 就像是没有校准的秤 ， 无法判断探测到的数值是否准确 。
由于国内没有中性粒子标定设备 ， 载荷正样做出来之后 ， 团队成员带着它前往瑞士伯尔尼大学 。
标定时 ， 载荷被放在一个可以产生中性粒子的“大罐子”里 ， 团队成员通过电脑屏幕监测载荷的工作状态 。
很快他们发现 ， 氧原子的探测数值跟“罐子”里实际给的量不一致 。
气氛瞬间紧张起来 。
参数不对 ， 说明仪器可能存在缺陷、需要返修 ， 而时间已经不多了 。
如果赶不上卫星进度 ， 会有两个后果 ， 一是载荷要被放弃 ， 二是探测计划要整体后延……来不及再往下想 ， 张爱兵和团队成员抓紧时间讨论 。
可是 ， 大家怎么都找不到问题根源 。
于是 ， 他们又去跟定标工作人员沟通 ， 反复几次 ， 最终才发现 ， 原来是工作人员向“大罐子”注入粒子源时 ， 将氧原子误操作成了氧分子 。
直到2020年10月31日火星离子与中性粒子分析仪正常开机探测 ， 看着弯弯曲曲的数据曲线一点点从遥远的太空传回地面 ， 大家起伏不定的心才彻底放下 。
收获：
“你们用几年走了
我们10年才能走完的路”
“现在仪器工作非常正常 ， 传回的数据非常不错 。 ”张爱兵难掩兴奋 。
看到中国同行在该类载荷技术方面的巨大进步 ， 瑞典空间物理研究所所长StasBarabash惊叹：“你们用几年走了我们10年才能走完的路 。 ”
曾认为中国同行“有野心”的Klecker不仅为这支团队感到高兴 ， 还有意愿参与之后的数据研究工作 。
回顾这些年走过的路 ， 大家不约而同地用一个词道出他们成功的秘诀——团队协作 。
这个词的背后 ， 是团队成员一起熬过的一个个深夜 ， 是项目遇到困难时彼此间的鼓劲和安慰 ， 是大家为了攻克难题而一起度过的每一个节假日 ， 是家人对他们的每一分支持 。
搭载着“天问一号” ， 载荷团队的青春在遥远的火星绽放 。
【张爱兵|研制“天问一号”载荷，他们几年走了别人10年的路】来源：中国科学报

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