火星应急信标：为“天问一号”安装“黑匣子”

应急信标，相当于“黑匣子”，在深空探测中，可以在紧急情况下，发送指定信号，分析探测器的状态。

7月23日12时41分，长征五号遥四运载火箭将我国首次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空，并成功将探测器送入预定轨道，开启火星探测之旅，迈出了我国自主开展行星探测的第一步。

科技日报记者23日从南京航空航天大学获悉，在本次火星探测任务中，该校研制的火星应急信标装置，将搭载“天问一号”在火星着陆。科研团队介绍，这套应急信标的防冲击性比黑匣子高三四成，并将在火星的极端气候下，接受远距离通信的挑战，南航是国内唯一独立承担火星探测器载荷研制任务的高校。

应急信标防冲击性比黑匣子高三四成

“天问一号”将在地火转移轨道飞行约7个月后，到达火星附近，通过“刹车”完成火星捕获，进入环火轨道，并择机开展着陆等任务，进行火星科学探测。

“我们研制的信标装置安装在探测器的着陆器上。应急信标装置相当于飞机的黑匣子，在探测器着陆后，可在特定情况下，发送指定信号，分析探测器的着陆状态。”南航火星探测器信标项目冲击防护系统主任设计师张子建告诉科技日报记者。

“这意味着信标得有高冲击防护能力。”张子建介绍，科研团队建构了一种刚柔耦合系统，相当于给信标穿了一身刚柔相济的“防护服”，防冲击性比飞机的黑匣子要高30%~40%。“这种防护强度，相当于从高空扔一个鸡蛋，不仅要保证鸡蛋不破，而且蛋黄和蛋清还要不混。”

高过载冲击试验是考核信标装置抗极端环境的重要验证试验，试验过程具有一定的危险性，尽管在试验前有专门关于技术安全的风险控制措施，但高冲击试验的危险性和不确定性，还是让团队成员吃了不少苦头。

南航火星应急信标团队总设计师、航天学院常务副院长陈金宝介绍，为了让高冲击试验可控、可测地进行，团队采用了5种试验验证工作的冲击方案。第一种方案需要近距离测量信标的参数，但由于信标位置的不可预知性，团队成员需要冒着被砸伤的风险，坚守在试验场第一线测量参数。实际试验工作中，信标距离成员的距离不足10米，若稍微出现一点偏差，团队成员可能就面临生命危险。

在火星的高温极寒条件下挑战远距离通信

火星温度高温高寒，为了让信标在零下130摄氏度至50摄氏度的极端温度下工作，冻不着、热不着，研究团队实施了一种像叠被子一样的工艺，进行精确的热控分析，以更精确地减少材料、保存热量，而这都是没有经验可循的。

实现远距离通信是信标的又一功能，这需要复杂的无线电测控系统、电源系统等，而如何将这些复杂的系统都装进4公斤重的信标里，用张子建的话说，这相当于将大象装进冰箱里。对此，团队要逐一攻克电磁兼容等问题。

在信标装置通信能力测试的过程中，研制人员曾发现通信有丢帧的现象，一直找不到原因，为了查找和定位通讯的故障，不带问题上天，大家主动放弃假期，成立技术突击小队，连续48小时对通信系统软硬件排查，最终在出厂交付前定位和解决了问题。

“信标装置能够在高强度冲击、极寒等极端环境下开展数据通信保障，主要在火星探测器着陆后进行应急通信保障，这在国内外都称得上‘首创’。”陈金宝说。

自2018年8月火星应急信标装置研制团队在南航成立，到详细设计方案于2019年4月评审通过，经过6个月的研制与技术攻关，南航航天学院团队按计划完成了电性能测试、力试验、鉴定级产品投产、大过载摸底试验、全时序模拟测试、热平衡试验、专项试验研制技术流程，各项功能与性能满足使用与设计要求。2019年11月底，火星应急信标装置正样产品顺利投产。2020年4月信标装置正式交付。