“萤火一号”:一段不能忘记的历史 萤火一号

  来源: 中科院之声

  我们国家的自主火星探测计划“天问一号”已成功发射,在这个激动人心的时刻,回想起十几年前我们提出、研制和发射“萤火一号”的一些往事,这些经验和教训也许可以为我国正在从事火星探测的同事们提供一些参考和借鉴。

  任务的提出

  2005年的十一假期刚过,我收到了一封来自俄罗斯科学院空间所的邮件,这是当时中科院空间中心王赤副主任转给我的。他的一个在麻省理工学院(MIT)工作时的同事,后来也回到了俄罗斯科学院空间所工作,正在推动俄罗斯再次启动多年前就实施过(但不是很成功)的火卫一的探测计划。这次是想更进一步,将火卫一的土壤样品返回地球,称为“福布斯-土壤”计划。考虑到我们和俄罗斯的合作关系非常密切,他们就主动提出,是不是能够利用发射余量,将中国的一颗科学小卫星带到地球空间,作为一个搭载项目。需要明确的是,他们当时并没有提出要带我们去火星。

  收到这个邀请后,我联系了几个相关领域的空间物理学家和空间探测载荷工程师一起做了认真的分析和思考。首先,我们考虑,如果有去火星的机会,为什么不能一起去火星呢?在国际上相互搭载,联合探测的先例有很多。比如,当时刚刚发射不久的地球空间双星探测计划,就是我们和欧洲空间局的联合探测计划,中方的卫星上搭载了近50%的欧洲科学载荷,而欧洲一个独立的、包括四颗卫星的科学计划——“星簇计划”的数据与我们完全共享,开展联合探测。又如,就在这个俄罗斯的火卫一土壤返回计划中,也搭载了多个欧洲国家的科学载荷。中国的深空探测刚刚起步,对月球的探测也才刚刚开始,采用搭载发射的方式去火星,可以大大加快中国进入深空探测的步伐。其次,我们分析了国际上历次火星探测任务,主要都是针对火星表面的,对火星大气和空间环境的探测非常少。我们了解到,俄罗斯运载的余量只有110公斤,因此可以利用科学载荷不太重的小卫星来探测火星的大气和空间环境。最后,中俄在航天领域的合作,正是国家努力推动的合作方向,双方如果联合开展火星探测任务,应该是与国家重点支持的战略方向高度契合的。因此,我们很快就向国家主管部门提出了申请,并得到了批准,同意开始论证工作。

  与此同时,我们也在讨论如何为这个突如其来的短平快项目命名。在很多建议中,我们选择了中国古代对火星的称谓“荧惑”的谐音——萤火。这使得这个项目听起来很小,仿佛是暗夜中的一个小小的萤火虫。但实际上,它却是飞进太阳系,进入深空,奔向火星的一个最小的探测器。与我们国家独立自主的探月计划——嫦娥工程相比,它无论是从经费体量上还是从参研队伍的人数上等各个方面,都无法与之相比。将其称为“萤火一号”我想也是一个十分低调和不与嫦娥工程争辉的意思。不过,它的科学目标那么突出,技术又是那么先进,应该是深空探测计划中的一颗名副其实的明星。

“萤火一号”:一段不能忘记的历史-第1张图片-天网之家中央美术学院著名书法家况尉作品

  科学目标

  作为一项科学探测计划,科学目标应该是最主要的部分。其中,我提出的一个重要科学目标,就是与俄罗斯探测器合作,对火星的大气和电离层开展联合的掩星探测。这个探测的实施过程是在两个探测器进入火星轨道并分离之后,从俄罗斯“福布斯-土壤”探测器上发射两个频段的无线电波,由我们的小卫星接收其信号。当两个探测器的连线,也就是无线电电波射线切过火星大气和电离层时,电波受大气和电离层密度随高度变化的影响,将发生弯曲,且不同的波段将出现不同的弯曲和延时。通过对接收信号强弱变化和延时的分析,就可以反演出火星大气和电离层物理参数的垂直剖面曲线。这将是人类首次如此详细的探测火星上的大气和电离层,特别是当电波连线分别切过火星正午和子夜两个特殊的地理时间上空时,其科学数据将反映火星大气和电离层变化的两个极端情况,对全面了解火星大气和电离层的特性非常重要。

  此外,空间中心的科学团队还提出了另一个重要的科学目标。因为国际上的其他计划都没有对火星周边的空间环境进行过磁场和粒子的同时探测,因此不了解粒子的运动方向和能量来源。如果在小卫星上同时配置磁强计和粒子(包括电子和低能热离子)探测仪,就有望揭示更真实的火星空间环境,并测得从火星表面逃逸的氧粒子的流量,从而判断火星上水的流失总量,推算出“10亿年前火星表面上到底有多少水?”这一目前仍然存疑的重大科学问题。

“萤火一号”:一段不能忘记的历史-第2张图片-天网之家2009年12月29日,笔者在中俄联合探测火星计划科学工作队第二次科学研讨会上发言

“萤火一号”:一段不能忘记的历史-第3张图片-天网之家2010年3月16日至18日,首届中俄联合探测火星科学研讨会在莫斯科召开

  莫斯科谈判

  2006年2月初,我和空间中心的赵华研究员一同登上了飞往莫斯科的航班。在途中,我们不断地在讨论着,如何才能说服俄罗斯空间所接受我们的联合探测火星大气和电离层的方案,然后再和他们一起说服俄罗斯拉沃什金航天企业接受我们一同飞往火星的搭载计划。我的笔记本上画满了两个探测器在不同的轨道上的连线切过火星大气层的可能性。飞机在莫斯科降落,那里刚刚下过大雪,路边经过清扫堆积起来的雪已经超过一米厚,令我们印象深刻。当晚我们就住在了机场附近的酒店里。

  第二天与俄罗斯科学院空间所的讨论非常顺利。我们的科学目标和探测方案得到了他们的认可和支持。他们的技术人员马上开始了掩星探测计划的各种计算以及射频发射机的设计思考。当天下午,我们一同来到拉沃什金航天中心,总经理波利舒克和福布斯探测器的总设计师马克西姆接待了我们。在谈判的开始,他们并不是十分相信我们国家可以研制出只有100公斤重的火星探测器,那将是全世界最轻的火星探测器。经过不断的讨论和说服,他们终于认可了我们方案的可行性。期间,他们甚至请来了年纪很大的工程师,和我们一起计算火星到地球通信的方案和发射天线的大小,以及至少需要多大的太阳能帆板等几个小卫星需要的关键的技术参数。最后,他们同意我们一同去火星。当然,还因为有俄罗斯科学院的支持,我们都希望能够进行一项全世界第一次实施的对火星空间环境的双探测器联合探测。

  工程研制

  从2003年开始,我们国家就和俄罗斯建立了两国总理定期会晤机制,以及在这个机制下的中俄航天合作联合委员会。经过几年的尝试,合作项目虽然不少,但是都是体量不大的采购合同,没有联合的航天任务。我们提出的中俄联合火星探测计划,就成为了中俄航天合作中最重要的合作任务。2007年年中,国家航天局做出决定,指定由上海航天局负责承担火星探测器的研制任务,同时任命我为首席科学家,上海航天局的徐博明总师为工程总师,中科院空间中心负责科学载荷的研制和地面应用系统的建设,于2009年10月搭载俄罗斯“福布斯-土壤”探测器一同飞往火星。

  虽说是2009年10月发射,但是俄方要求我们要提前6个月将探测器运到莫斯科开展测试,给我们留下的研制时间只有不到三年。在如此短的时间内,研制一颗没有任何经验可以借鉴,又是全世界最小的火星探测器,其技术难度和挑战是可想而知的。当然,中国航天人在困难面前从来没有低过头,我们突破了超高灵敏度应答机、长火影带来的超低温环境等多个关键技术,终于在2009年4月将正样探测器运抵了莫斯科。

“萤火一号”:一段不能忘记的历史-第4张图片-天网之家“萤火一号”有效载荷研制现场

“萤火一号”:一段不能忘记的历史-第5张图片-天网之家“萤火一号”有效载荷交付验收现场

  命运多舛

  从“萤火一号”运抵莫斯科开始,我在北京就不断地听到前方传来的俄方进度拖延的消息。到了8月份,我甚至从俄罗斯科学家那边听到了他们的“福布斯-土壤”根本赶不上进度,不可能在10月那个窗口发射的“小道”消息。我将信息转告了正在莫斯科参加测试的试验队负责人,他们表示俄方没有向他们透露任何相关信息。要知道,由于地球和火星轨道的周期不一样,每25到26个月才有一次最佳的发射窗口。如果2009年10月的发射窗口错过了,下次窗口只能等到2011年11月了。经过了大约几个月的隐瞒,拉沃什金航天企业终于在9月20日正式承认,他们无法赶上10月的发射窗口,计划不得不推迟两年再发射。这个决定正式宣布后,我们就只好把“萤火一号”运回上海,等待下一次发射机会。大家不禁感叹“萤火一号”看来会是个命运多舛的任务啊。

  2011年6月,“萤火一号”经过两年的安全存储和间断性的加电测试,被再次运往莫斯科。在拉沃什金和拜肯努尔发射场进行测试表明探测器一切正常。11月9日凌晨3点,搭载着“福布斯-土壤”和“萤火一号”探测器的“天顶号”运载火箭腾空而起。我应邀参加了发射活动。在距离发射塔架大约3至4公里的一个货运火车站台上,我和试验队的队员们在哈萨克斯坦11月初的严寒里,心情无比激动。经过3年多的研制和2年多的等待,“萤火一号”终于踏上了奔向火星的旅程。与我们在一起的还有很多欧洲的科学家,他们来自法国、荷兰、英国等国家。这已经是他们第二次,甚至第三次将自己的仪器搭载到俄罗斯的火星探测器上了。之前有福布斯1和福布斯2,以及火星-96,但是只有福布斯2获得了几个月的探测数据,其它两次均失败了。福布斯1被认为飞到了火星,但是没有数据返回。火星-96干脆就没有离开地球轨道,还没有踏上火星之旅就坠毁了。这次大家都抱着极大的希望,希望俄罗斯一改以前火星探测的晦气,打破魔咒,实现人类共同的科学梦想。看到火箭顺利升空,大家的心放下了,坐上俄方安排的班车,回到了酒店,进入了梦乡。

  第二天早上我们陆续来到酒店的餐厅用早餐,逐渐感到有些气氛不对。慢慢的大家都听到了一个传言,福布斯发射后,仅收到了一次遥测信号就杳无音信了。距离发射时间已经过去了5至6个小时了,“福布斯-土壤”在近地轨道上应该已经转了好几圈了,有不止一次过境地面站的机会了,如果没有收到遥测信号,那一定是出问题了。因此,大家都开始议论纷纷,早饭也吃不下去了,都聚集在酒店大堂里找俄罗斯航天局的人询问情况。大约上午9点左右,俄罗斯航天局的一位领导出现了,他召开了一个简短的新闻发布会。在会上,通过翻译,我们了解到,“福布斯-土壤”确实已经失联了,并且原定的在近地轨道上点火奔向火星的上面级发动机没有启动。通过地面雷达和光学的观测数据判断,福布斯仍然在高度大约200公里高的近圆轨道上飞行。

  当天下午,我们只能按计划带着一头雾水登上返回莫斯科的专机。在机场候机的时候以及在飞机上,大家仍然议论纷纷,从几个与俄方内部人员有联系的人口中,得到了一些最新的消息。总体上判断,“福布斯-土壤”的上面级发动机没有按程序启动,且测控应答机出了问题,无法与地面取得联系,因而也无法接收地面的指令。

  到达莫斯科以后,我们马上向国内报告了情况。按照指示,我们的试验队负责人,将留在莫斯科协助俄方进行救援工作。后面的情况大家也许都知道了,福布斯在200公里高的轨道上,孤独地飞了两个月后,自然陨落在太平洋里了。

  启示

  “萤火一号”是我这些年来亲身参加的各项航天任务中,唯一一次完全失败的任务。尽管失败并不是因为我们的错误而引起的,但它仍然是一次失败。作为一个航天科技工作者,经历一次失败,比经历10次成功都更加令人难忘。有一位航天界的老领导说的好:成功就是差一点点儿的失败;而失败就是差一点点儿的成功。当你把该做的事儿都做了以后,成功和失败就在那毫厘之间。但是它给人的感受则是天壤之别。我们在成功的喜悦之后,千万不能自负,要回味一下哪里还存在问题;我们在失败的悲伤之后,也不能气馁,要看到我们付出的成绩并分析失败的原因。

  虽然“萤火一号”没有实现我们奔向火星的梦想,但是它使中国的空间科学家体验了通过自主设计的科学目标,登上国际竞争与合作的大舞台的过程。在“萤火一号”之前,我们国家还没有一个专门研究火星的团队,甚至还没有一本关于火星的教科书,哪怕是翻译的,都没有。“萤火一号”之后,我们不但组建了相关的科研团队,翻译出版了关于火星的教科书,还在之后提出了一系列新的科学目标和探测方案,为今后我国自主火星探测培养了人才队伍和奠定了基础。记得在“萤火一号”发射之前,我曾与美国一个优秀的行星探测科学团队交流,他们开玩笑说,请你们的“萤火一号”不要把科学问题都做完了,给我们也留一些。从中可见他们对“萤火一号”科学目标的先进性是充分认可的。

  虽然“萤火一号”没有实现奔向火星的梦想,但是我们深刻地体会到了火星探测之难。启动上面级火箭,离开地球轨道奔向火星是第一个难点,这里必须要考虑到地球轨道的探测器和火星探测器的测控应答机存在明显的区别。如果自动程序没有启动,若想通过深空应答机在近地轨道如此近的距离上上注指令实际上是不可能的。这也许就是对“福布斯-土壤”探测器的救援没有成功的原因。

  虽然“萤火一号”没有实现我们当时的梦想,但是小小的萤火虫点燃了中国人奔向火星的激情,我们的航天人在那之后,建立了可以远达火星轨道的深空测控站,并将“天问一号”本应分两步、甚至三步走的“绕、落、巡”计划,合并在一次实施。

  当然,路漫漫其修远,中国人在自主探测深空的征程中一定会遇到各种困难。希望我们的科学家和工程师们,即使遇到了困难也不要气馁。征服火星比征服月球要难得多,我们必须要有十倍的勇气和用百倍的努力,才能将中国人的脚步迈进那么远的深空,为实现中国人(包括我们这些经历了失败的“前浪”)的梦想,做出辉煌的贡献。

“萤火一号”:一段不能忘记的历史-第6张图片-天网之家

新浪科技综合

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