無畏再戰逐夢火星

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十年前的秋天，俄羅斯“福布斯-土壤”火星探測器發射失敗，隨之失聯的還有搭載其上的中國火星探測計劃第一顆探測器——螢火一號。

“很難過。”和所有參與螢火一號載荷研制的科研人員一樣，中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱空間中心）研究員張愛兵心里不甘卻又無奈。螢火一號上的等離子體探測包，就來自他們的團隊。

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。

他們從曾經跌倒的地方爬起，拂去塵土，再度向火星沖刺。

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顯珍貴，每一斤負重都尤為關鍵。張愛兵開始想，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。”張愛兵說。

就在他們討論設計思路時，恰好來訪的德國馬普所高級研究員、粒子探測載荷研制專家Berndt Klecker得知了他們的想法。“這個想法太有野心了。”面對雄心勃勃的中國同行，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，又一起親歷失敗的傷痛，現在，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那一晚，“緊隨的是撲面而來的壓力。”鄭香脂回憶。

“二合一”的方案前所未有，實現難度可想而知。

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”：“我們要設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，每種模式涉及參數非常多。同時，由于火星離地球太遠，數據的上傳下達時有較大限制，一方面，地球指令發出后，衛星反應所需時間長，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，傳回的數據量有限，我們要保證傳回的有用信息不損失。”

對于負責電子學設計的田崢來說，挑戰同樣大：“為了既減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，這在我們以往載荷中不曾有過。”

波折：“心一直在起起落落”

“新技術從不成熟到成熟，不是一帆風順的。”田崢說。

團隊的核心成員有十多名，都正值三四十歲的科研盛產期，也都是成熟且經驗豐富的“老手”。但即便如此，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。“哪怕是測到的數值不準確，也比什么都測不到要好，至少那樣我們能知道排查哪方面的問題。”孔令高說。無奈之下，他們只能沒日沒夜地挨個排查每一個環節。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，大家心一直是起起落落。”鄭香脂感慨。

老天時不時會跟他們開個玩笑。2019年初，載荷到了向著成功臨門一腳——做標定的時候，揪心的事又出現了。

對于衛星載荷來說，地面標定工作非常重要，沒有經過標定的探測器，就像是沒有校準的稱，無法判斷探測到的數值是否準確。由于國內沒有中性粒子標定設備，載荷正樣做出來之后，團隊成員帶著它去了瑞士伯爾尼大學。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測載荷的工作狀態。很快他們發現，氧原子的探測數值跟“罐子”里實際給的量不一致。

氣氛瞬間緊張起來。參數不對，說明儀器可能還存在缺陷、需要返修，而時間已經不多了。如果趕不上衛星進度，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。可是，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，最終才發現，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，看著彎彎曲曲的數據曲線一點點從遙遠的太空傳回地面，大家起伏不斷的心才終于徹底放下。

收獲：“你們用幾年走了我們要10年才能走完的路”

“現在儀器工作非常正常，數據非常不錯。”張愛兵難掩興奮。

看到中國同行在該類載荷技術方面的巨大進步，瑞典空間物理所所長Stas Barabash驚嘆：“你們用幾年走了我們要10年才能走完的路。”

曾認為中國同行“有野心”的Klecker不僅為這支團隊高興，還有意愿參與之后的數據研究工作。

回顧這些年走過的路，大家不約而同地用四個字形容他們成功的秘訣——團隊協作。這個詞的背后，是張愛兵陪著團隊成員熬過的一個個深夜，是項目遇到困難時彼此間的鼓勁和安慰，是大家為了攻關難題而一起度過的每一個節假日，是家人在背后的每一分支持和自豪。