火星應急信標:“天問一號”在火星的高溫極寒條件下挑戰遠距離通信

科技日報 2020-07-24 09:48:00

應急信標,相當于“黑匣子”,在深空探測中,可以在緊急情況下,發送指定信號,分析探測器的狀態。

7月23日12時41分,長征五號遙四運載火箭將我國首次火星探測任務“天問一號”探測器發射升空,并成功將探測器送入預定軌道,開啟火星探測之旅,邁出了我國自主開展行星探測的第一步。

科技日報記者23日從南京航空航天大學獲悉,在本次火星探測任務中,該校研制的火星應急信標裝置,將搭載“天問一號”在火星著陸??蒲袌F隊介紹,這套應急信標的防沖擊性比黑匣子高三四成,并將在火星的極端氣候下,接受遠距離通信的挑戰,南航是國內唯一獨立承擔火星探測器載荷研制任務的高校。

應急信標防沖擊性比黑匣子高三四成

“天問一號”將在地火轉移軌道飛行約7個月后,到達火星附近,通過“剎車”完成火星捕獲,進入環火軌道,并擇機開展著陸等任務,進行火星科學探測。

“我們研制的信標裝置安裝在探測器的著陸器上。應急信標裝置相當于飛機的黑匣子,在探測器著陸后,可在特定情況下,發送指定信號,分析探測器的著陸狀態。”南航火星探測器信標項目沖擊防護系統主任設計師張子建告訴科技日報記者。

“這意味著信標得有高沖擊防護能力。”張子建介紹,科研團隊建構了一種剛柔耦合系統,相當于給信標穿了一身剛柔相濟的“防護服”,防沖擊性比飛機的黑匣子要高30%—40%。“這種防護強度,相當于從高空扔一個雞蛋,不僅要保證雞蛋不破,而且蛋黃和蛋清還要不混。”

高過載沖擊試驗是考核信標裝置抗極端環境的重要驗證試驗,試驗過程具有一定的危險性,盡管在試驗前有專門關于技術安全的風險控制措施,但高沖擊試驗的危險性和不確定性,還是讓團隊成員吃了不少苦頭。

南航火星應急信標團隊總設計師、航天學院常務副院長陳金寶介紹,為了讓高沖擊試驗可控、可測地進行,團隊采用了5種試驗驗證工作的沖擊方案。第一種方案需要近距離測量信標的參數,但由于信標位置的不可預知性,團隊成員需要冒著被砸傷的風險,堅守在試驗場第一線測量參數。實際試驗工作中,信標距離成員的距離不足10米,若稍微出現一點偏差,團隊成員可能就面臨生命危險。

在火星的高溫極寒條件下挑戰遠距離通信

火星溫度高溫高寒,為了讓信標在零下130攝氏度至50攝氏度的極端溫度下工作,凍不著、熱不著,研究團隊實施了一種像疊被子一樣的工藝,進行精確的熱控分析,以更精確地減少材料、保存熱量,而這都是沒有經驗可循的。

實現遠距離通信是信標的又一功能,這需要復雜的無線電測控系統、電源系統等,而如何將這些復雜的系統都裝進4公斤重的信標里,用張子建的話說,這相當于將大象裝進冰箱里。對此,團隊要逐一攻克電磁兼容等問題。

在信標裝置通信能力測試的過程中,研制人員曾發現通信有丟幀的現象,一直找不到原因,為了查找和定位通訊的故障,不帶問題上天,大家主動放棄假期,成立技術突擊小隊,連續48小時對通信系統軟硬件排查,最終在出廠交付前定位和解決了問題。

“信標裝置能夠在高強度沖擊、極寒等極端環境下開展數據通信保障,主要在火星探測器著陸后進行應急通信保障,這在國內外都稱得上‘首創’。”陳金寶說。

自2018年8月火星應急信標裝置研制團隊在南航成立,到詳細設計方案于2019年4月評審通過,經過6個月的研制與技術攻關,南航航天學院團隊按計劃完成了電性能測試、力試驗、鑒定級產品投產、大過載摸底試驗、全時序模擬測試、熱平衡試驗、專項試驗研制技術流程,各項功能與性能滿足使用與設計要求。2019年11月底,火星應急信標裝置正樣產品順利投產。2020年4月信標裝置正式交付。

天問一號,火星探測

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