功成不必在我，功成必定有我 ——访“天问一号”火星探测器信标装置研制团队

■文/本刊记者 张建 封面摄影∕欧阳茜
2021年5月15日，“天问一号”火星探测器的着陆巡视器成功降落在火星乌托邦平原南部预选着陆区，这是中国航天器首次在地外行星着陆。

从此，这颗红色的星球上有了中国的印迹。

“天问一号”火星探测器是中国航天走向更远深空的国之重器，集千千万万科技工作者的智慧于一身。

在辛苦付出的科技工作者中，就有南京航空航天大学航天学院“天问一号”火星探测器信标装置研制团队（简称信标团队）的身影。

这是全国唯一一个独立承担探测器单机载荷的高校团队。

信标团队研制的应急信标装置（简称信标）被称为“会主动打电话的黑匣子”，是世界上首个航天器应用的应急通信载荷。

在不到两年的时间里，信标团队先后攻克高冲击防护、极限空间电子系统设计、极限能源热控等多项关键技术难关，实现信标装置从无到有。

信标团队的付出令人瞩目，为表彰信标团队的贡献，2021年“五四”前夕，团江苏省委、江苏省青联授予信标团队“江苏五四青年奖章集体”荣誉。

功成不必在我，功成必定有我
——访“天问一号”火星探测器信标装置研制团队
风流一代·青春
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主动请缨，触摸未知
着陆巡视器降落时，信标团队负责人、南京航空航天大学航天学院副院长王寅作为参研参试单位的代表，在北京航天指挥控制中心观测、判读信标数据。

2021年5月15日凌晨1时许，“天问一号”火星探测器在停泊轨道实施降轨，机动至火星进入轨道。

4时许，环绕器和着陆巡视器分离，经过约3小时的飞行后，着陆巡视器进入火星大气层。

此后，着陆巡视器就开始了一段惊心动魄的旅程，在约9分钟的时间里，要先后自主执行气动减速、伞
降减速、动力减速、悬停避障与缓速下降多个程序，无法从地面获得支持。

王寅说，信标装置要记录并发送的，就是探测器从降轨到着陆整个过程中关键事件的发生时间和着陆巡视器的动作参数。

在探测器降轨前，信标就已经开机，在轨道上和地面进行通信。

地面发出遥控指令，向探测器注入参数，在环绕器和着陆巡视器分离后，信标正式开始工作。

在落火的过程中，虽然有实时遥测，会传回来一些数据，但是火星和地球的距离很远，通讯有时延，而且通信的带宽很小，王寅看到的数据不是特别连续，有的数据要过好长时间才会更新一次。

着陆巡视器落火后第四天，完整的数据才发回来。

着陆巡视器落火之后，王寅就比较放松了，他对信标的工作状态还是比较有信心的，在整个降落过程中，信标是正常运行的，后续的信号传输不会有问题。

信标是独立运行的载荷，设计寿命是四个火星日（与地球相比，一个火星日约24小时38分），装在着陆巡视器着陆平台上。

落火两个小时后，着陆平台就停止工作，而信标又不能从“祝融号”火星车上获取电源，只能靠自身携带的能源工作。

研制信标，目的是为我国火星探测任务作最坏的打算。

截至2020年6月的数据显示，火星探测器着陆的成功率不足50%。

“天问一号”火星探测器是我国首次向火星发射的航天器，假如探测器遇到极端状况，没有真正平稳降落到火星表面，工程技术人员如何获取数据并分析产生故障的原因？
专家提出要求，得设计一个能扛住严苛的环境独立工作、同时记录着陆参数并能传输数据的载荷，
即俗称的“信标”。

“我们知道后，很快就拿出方案并做了初步的论证，然后向火星探测任务总体设计部门作了汇报，
经评估后，我们的方案是可行的。

”王寅说。

2018年8月，“天问一号”火星应急信标装置研制团队在南航正式成立，信标团队以航天学院的
王小涛、张子建、许蕾等骨干教师为核心力量。

成立之初，信标团队就时刻面对着时间紧、困难大的双重压力。

王寅清晰地记得当时的紧迫感，“在探测器的研制进度中，信标的研制工作起步最晚，根据发射
时间窗口（2020年7月—8月）倒推，从立项研制
到最终交付只有一年多的时间。

对航天型号来讲，
时间捉襟见肘，而且探测器可供分配的重量和尺寸
都有严格的限制，我们团队的成员此前从未有过研
制类似装置的经验。

”
火星探测器有精确的发射窗口，如果错过了，整个火星探测工程就得延后两年多，我国的火星探
测的任务是不会推迟的，时间节点卡得很紧。

研制任务艰巨无比，但没有人退缩。

信标团队的想法一致：能参与这样的任务，不信标研制团队成员合影
新闻背景
我国首次火星探测任务起点高、难度大、挑战多，从论证
阶段开始，就面临着诸多难题。

2013年，国家航天局基于前期
成果，提出了“首次火星探测任务即实现火星环绕和着陆巡视
探测”的目标，启动了任务方案论证和实施。

2016年，工程立
项后，参与工程实施的数千家单位、数万名科技工作者，突破
一系列关键技术，于2020年7月按计划将“天问一号”送入太空。

经过近7个月的奔火飞行和3个月的环火探测，“天问一号”
成功着陆火星，“祝融号”火星车驶上火星表面开始巡视探测。

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30设计、制造、调试、测试、试验，一个环节都不能少，为了赶进度，团队成员经常在外协单位的实验室熬夜联调，常常睡在实验室里。

有时候，还得半夜爬起来听取外协单位的测试结果，取鉴定件继续测试。

信标小小的个头，要求能扛住1万G 的过载冲击。

高速冲击实验要用火炮发射信标，来模拟火星探测器异常着陆时的速度，保证信标在高速冲击下内部结构不散架，安全完成信息传输任务。

副教授张子建在高速冲击实验中遇到了实实在在的危险：“当时要近距离拍摄，大家找了一个纸箱子在高速相机前面挡着。

有一次，有一个碎石一样的东西反弹，打到相机支架的锁扣上，一下子就把锁扣打没了。

但是参试人员必须在相机那里摁开关，它只记录几秒钟的时间。

真的害怕，那次实验是我上的，因为是我负责。

当时，家里人都不知道这件事，只有做实验的几个人知道。

”
王寅十分清楚工作的艰难：“很多关键技术，无法通过仿真充分认识，必须通过实验去了解其准确性能。

有时候，我们根据方案设计后发现不行，就得改方案，甚至是重新开始。

”
一个接一个的难题被解决了。

2019年11 月底，信标正样产品投产。

信标交付之前，团队又经历一次严峻的考验。

考虑到各种约束，电子系统在信标内部只有火柴盒大小，电磁兼容在设计之初就是团队非常担心的问题。

2020年3月初，电子系统在全闭环电信联测的时候，射频传输中备份信息有一些缺失的现象。

王小涛和团队成员紧急赶往北京，在宾馆里搭建临时实验室，连续测试两天两夜，终于找出问题。

为保证电子系统绝对可靠，他和团队更换条件反复测试，经常连夜作战，高强度的工作带来极大的压力，有时候绝望到透不过气来。

2020年4月，信标交付后，王小涛压力一下子
管是对将来的教学还是科学研究，都是一个难得的机会。

王寅代表团队这么说：“其实想一想，一个人一生能参与国家重大战略工程的机会是很少的。

所以，大家接受任务后，都在想着怎么一步一步把工作向前推进，顺利把这项工作完成。

”
群策群力，挑战难题
2018年11月，信标设计的初步方案确定以后，进入了漫长的论证阶段。

王寅和团队的第一个难关就是论证信标的技术实现途径，信标应该是什么样的构造？该怎么实现特定的功能？当时，团队参考了飞机的黑匣子、返回式卫星的记录仪和导弹的弹载记录仪，发现这些装置和信标的设计是不一样的。

与飞机的黑匣子相比，信标功能更强大，不需要回收，自身就能够将关键的数据传输出去，王寅称其为“会主动打电话的黑匣子”。

另外，信标是用在航天器上的，在地外行星工作，必须具备较强的环境适应能力。

王寅说：“这是一个原创性的工作，论证阶段就是从零起步，没有任何成功经验可以借鉴。

”
比如，信标电子系统的设计方案就经历了几十次反复迭代。

电子系统是信标的“中枢神经系统”，副教授王小涛是信标电子系统的主任设计师。

从确定任务开始，他和团队成员差不多每周都辗转三四个地方，找外协、请教专家、通宵做方案。

因为很多事情一直悬而未定，他一直很焦虑，经常连续几天睡不好觉。

其他技术指标的论证工作莫不如此。

辛苦付出之后，2019年4月，信标的整体设计方案终于通过评审。

信标被设计成重量不超过四千克的小圆桶形状，圆桶的直径不超过14厘米、高度不超过16厘米。

信标的构造确定为机、电、热三部分，机就是结构，包括防冲击的机构和支撑的结构；电，就是电器、能源管理、通讯等跟电相关的部件；信标既得防寒，还得散热，其实散热还不是团队重点考虑的内容，主要还是防寒，因为火星平均温度是-70℃。

说得简单点，信标得结实扛摔、能自主供电、能发信息、能耐得住火星寒冷的环境。

方案论证难，把纸面上的设计图变成合格的产品更难。

以电子系统为例，电性件、鉴定件、正样件的
信标实物及其在着陆平台上的安装位置
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没有了，研制期间睡觉紧张出汗和突然惊醒的状态也没有了。

参与其中，方知甘苦信标交付了，不代表团队的工作结束了。

信标装到探测器上之前，就得和探测器上有信息交互的单机载荷进行测试；装到探测器上之后，还要和探测器进行总体测试。

这个测试分不同层次、不同阶段，留给团队的时间并不多。

2020年4月底到5月初，信标团队成员在海南文昌航天发射场参与了探测器B 阶段和C 阶段的整器联测，完成了发射前最终的任务确认。

6月，又参与了着陆器合大底之前最终的测试。

2020年7月23日，长征五号遥四运载火箭将“天问一号”火星探测器直接送入地火转移轨道，探测器开启六个多月的奔火之旅。

探测火星跟探月还不一样，“天问一号”火星探测器上的很多载荷不是发射之后就工作的，而是陆续开机的。

在飞行途中，信标处于关机状态。

这就存在一个问题——信标要长期在空间环境中存储。

对信标来说，这是有可能出问题的一个环节。

王寅和信标团队是担心的，“火星探测器上其他的单机载荷都在地面做过1:1的真空环境模拟实验，用来验证载荷的可靠性。

我们没有这个环节，真没有那么多时间。

”
2021年5月15日，探测器交出了完美的答卷。

2020年是火星探测的“大年”，在发射窗口，
“天问一号”其实是与阿联酋的“希望号”和美国的“毅力号”展开同场竞技。

“希望号”的目标是环绕火星研究火星大气，“天问一号”和“毅力号”的目标都是登陆火星。

2021年2月，“希望号”与“天问一号”进入环火轨道，“毅力号”成功降落到火星表面。

“天问一号”火星探测器系统总设计师、南航校友孙泽洲曾说过，阿联酋的“希望号”环火成功，美国的“毅力号”也已经着陆，“天问一号” 在他心里已经不是能不能完成任务这么简单了，他不太好用语言来表达所承受的压力。

2021年6月，国家航天局举办新闻发布会。

会议间隙，孙泽洲在接受媒体采访时说：“我们不希望它（信标）在任务中发挥作用，一旦它发挥作用了，那我们的着陆可能就没成功，或者出现很大
的问题。

信标虽然没有发挥它的主作用，但是它的信息也通过平台传回地球。

”
备而不用，孙泽洲寄语信标团队继续思考信标的技术升级与未来应用。

小部件融入大工程，小团队融入大集体。

研制航天型号与学校的工作有很大差异。

学校的科研一般是基础研究或原理样件研究，相对偏理论，应用方面也是初步验证。

参与这项工程，信标团队积累了一些经验，走通了研制流程的各个环节，王寅说：“以后如果再有这样的项目，我们就有路可循，很多事情可以提前策划和思考。

我们做信标项目的时候，是走一步看一步，很多环节并不熟悉，一些设计要求理解得并不深刻。

”
航天精神的洗礼，或许没法通过文字或语言去体会，必须经历以后才知道其中的甘苦。

有一句话，王寅觉得是对航天事业最好的诠释——功成不必在我，功成必定有我。

其实，一个航天型号或一项航天任务的背后有很多人在默默付出，他跟航天五院火星探测任务总体设计部门在一起工作的时候，能清晰地感受到这句话的内涵，晚上十一二点，他们的办公室还是灯火通明，工作都是连轴转，而且非常细致。

他说：“航天事业有一个简单、直白的公式：100-1=0，意思是航天事业，任何一个失误可能都会造成无法挽回的损失。

航天的特点是单件生产（产品基本上是一次性需求的专用产品，一般不重复生产），每个任务都有不同的需求，每个任务可能都会有新的技术、新的挑战，
而且国家对航天事业的投入非常大，所以航天人只
能走一条路，必须成功！”
校领导调研信标团队的研制工作。