8090航天人 │“嫦五”月面采样封装遥操作主任设计师张宽:六年磨一剑,只为在月球完美“挖土”

深度178号


继人造地球卫星、载人航天飞行取得成功之后,探月工程是我国航天事业发展的又一座里程碑,它开启了中国人走向深空探索宇宙奥秘的新时代。

在举世瞩目的“嫦娥五号”升空伊始,钱江晚报·小时新闻就开始特别关注8090后航天人。他们,是“嫦娥五号”等中国航天事业发展的幕后英雄,也是中国航天事业的见证者。

12月17日凌晨,“嫦娥五号”返回器携带月球样品着陆地球。就在“嫦娥五号”在月球上忙碌的这大半个月,钱江晚报·小时新闻记者赶往北京,采访了“嫦娥五号”幕后的几位青年科学家。

这只是开始。钱江晚报·小时新闻将不断走访我国的重要航天科研机构,追寻那些航天领域的青年科学家,与他们一起“追星”。

钱江晚报·小时新闻记者 陈曦 张蓉 

视频 钱佳能 发自北京

12月3日,在38万公里外的月球表面,一面五星红旗鲜艳闪耀。在前后的48小时内,“嫦娥五号”探测器在此顺利完成了“挖土”、“打包”、“升旗”等一系列工作后,携带着月壤向地球奋力起飞。

这是36岁的张宽在精心打磨后等待了六年的时刻。为此,他已有五年没回过家乡吉林,没和父母见上一面。

身为“嫦娥五号”月面采样封装遥操作主任设计师,他肩负的任务——依靠精密的设计,赋予“嫦娥五号”探测器在月球钻取采样及封装的能力——在这一刻圆满结束。

当天,他难得地在深夜前下班回家,听见不满三岁的儿子高兴地说,自己和爸爸一样厉害,也在院子里挖到了土;他难得地睡足八小时,看见了儿子清晨醒来时的模样。

可第二天,他又立即回到了北京飞行控制中心的岗位上,协助同事们一起昼夜接力“护土归来”。

在月球上挖土

北京飞行控制中心大厅:一群身着带有“中国航天”标识工作服的科技人员正紧张地盯着屏幕;广播里时不时传出新的口令;一些人在奔走中忙碌;一些人在低语商讨;一些人操控着桌上的鼠标。戴着高度近视眼镜、守在电脑前的张宽就是其中一员。

“嫦娥五号”飞控任务中,主要有两大类岗位:一类是航天器在空间轨道上的控制;第二类是着陆月面后,在月球表面进行遥操作控制。张宽属于后者。

作为此次任务中月面采样封装的遥操作主任设计师,张宽最大的挑战从12月1日晚“嫦娥五号”着陆器落月开始。

与先前的“嫦娥三号”和“嫦娥四号”着陆不同,“嫦娥五号”需要两种方法在48小时内进行采样和钻孔,然后将2千克的月球样品倒入专用的储罐中以进行特殊存储。

张宽和团队所要做的正是月面采样工作,通俗来说就是铲土、挖土。

张宽介绍,这次采样有两种模态:钻取、表取。钻取是使用类似电钻的钻具,钻到月面下,再由机械将样品提上来,放到一个封装容器里面,进行保存。

在地球地面挖一铲子土可能是几秒钟就能完成的事情,但是在月球表面挖土要耗时得多。“月壤可能看着很松软,但可能下面就是一块石头。”张宽说,铲土主要靠控制机械臂进行,但由于机械的特性,机械臂不可能像人一样能够快速去做动作,如果太快,可能会有震颤,需要慢慢移过去,以此保证整体的稳定性。此外,采样过程中会涉及一些非常精细的操作,比如,采完样之后装罐、抓罐,“罐口只有10公分,但我们要确保把样品全都放进去,不能散出来。而抓罐的精度要求更高,必须通过毫米级的定位抓住它、提起来,再放到上升器的密封容器里面”。

为了挖到月面上的土,张宽和团队在地球上要做的还很多:分析、规划、控制、评估。待月面图像下传后,进行图像的分析。获取信息后,进行规划,决策。最后一步才正式实施工作。实施分两步,发令以及评估发令的控制效果,是否达到预期。

“‘嫦娥五号’任务和以往任务区别很大,这次速成码数特别高,可以实时获取天上的图像。‘嫦娥四号’是先拍摄再下传,没有实时影像,地面上需要拿到图像后,再进行分析,控制逻辑、控制步骤会很慢。”张宽打了个比方,这次相当于人通过导航开车的效果,图像实时下传的,可以实时决策,下一步该怎么做。

在分析过程,张宽会和探测器的制造者、专家一起讨论,确定策略,然后向上行发令岗提出需求,对方接受后进行复核,确保无误后实施发令。

让张宽欣慰的是,这次他和团队同事超前完成了任务。原计划一次表取的时间为1~2小时,但实际上只用了不到50分钟,就完成一次采样工作。

“表取采样一共采了三个点,形成三个小坑。当时我们都在想,应该给每个坑定一个名,因为这是中国首次在月球留下的三个采样坑。”张宽想起当时采样完成后,大家激动讨论的场景。

6年精心准备

12月3日23时10分,完成月表工作的“嫦娥五号”上升器点火起飞。张宽所在的遥操作团队的工作本应告一段落,但为了继续守护“嫦娥五号”,团队成员全部加入飞控团队。“还是不放心,我们要做护土使者,看着自己挖的土平安返回地球。”

坚守了48小时后,张宽回家放心地睡了一觉。第二天早上8点他准时来到飞控大厅,继续值班,他希望能全程见证整个任务。

每一个航天人或许都有一个印象最深的任务,对张宽来说则是“嫦娥五号”。因为了这短短的几十个小时,他足足准备了6年。

2014年12月,张宽加入“嫦娥五号”任务,进入前期准备工作。“我本身是计算机专业出身,到这一块有点跨专业,需要很多自学。”张宽把所有与飞控有关的书籍啃了一边又一遍。这还不够,他开始一点点加入实战,承担的任务也慢慢变重。

2017年5月一个中午,张宽正和几个同事准备出门吃饭,突然接到一通电话:出一份方案,月面采样实质流程,晚上必须拿出来。

当时在上行控制岗位的他,对此毫无经验,很多环节都不清楚。张宽顾不上吃饭,立马调头回到办公室,开始查资料文件。“那天晚上后半夜三点才弄完。”

2018年,执行“嫦娥四号”任务时,张宽成为了“玉兔二号”的遥操作主任设计师。他还记得,当看到“自己的车”登上月球,拍下第一张图后带来的冲击,“月球上没有大气,很远很远的山一览无余,特别通透,有种一眼万年的感觉。虽然没有想象中那么浪漫,但又有一种很清新的感觉。”

与“嫦娥四号”任务不同,“嫦娥五号”是我国首次实施月面采样。在此之前的月球巡视探测工作,是控制“玉兔号”在月面上行走,在固定时间点去进行一些科学载荷的开机探测工作,但是“嫦娥五号”平台是不可移动的,还需要带着机械臂去铲土。这些都是“玉兔号”没有过的经历,各项控制技术对于张宽和他的团队来说都是全新的。

为了完成任务,张宽带领设计团队一直在开展关键技术攻关工作。

比如图像,这次的任务相对于地形重构的精度要求更高。

比如视觉定位,原来是定位车的位置,但这一次定位机械臂,包括抓取放罐的过程中如何抓如何放,对位置要求更高。

比如规划,“玉兔号”具备长期存活工作的条件,而“嫦娥五号”在月面停留时间只有48个小时。以往正常的规划过程,是先拍图对周边环境进行感知,建立地形,根本环境信息进行路径的规划。这个过程可以持续几个小时,以便选择一条最安全的路径,再生成实施层面的计划或者控制指令,这样的方式对时效性要求相对较宽松。但“嫦娥五号”并不适用,规划一次机械臂路径,花上几个小时,根本挖不了几铲土。

“所以我们要提前把策略想好、做好。”张宽解释,就像人们出行去某个地方,如果坐出租车或者开车,路线很多,但可能会遇到堵车等突发情况。因此,在“嫦娥五号”任务中,团队制定了很多安全的中间点,类似设置了地铁站,出行的时候坐地铁,通过地铁网到达某个地点下来,再去走最后一公里,这样时间就会变得可控。

6年中,张宽和团队攻克了一项又一项关键技术,也在等待着考验的来临。“6年的准备,都是为了最后应用的这几十个小时,完成的那一刻,感觉真的很轻松。”张宽说。

五年不见父母

在南侧的飞行控制中心上班,在北侧的航天城社区居住,两点一线,从办公室到家的距离不到3公里,过去六年,张宽的工作和生活都在航天城内打转。

“感觉就像在大学校园里,即使几年不出去,也丝毫不违和。”当工作与生活交织在一起,大多时候,张宽只能选择让生活让步。

近几年,随着中国航天事业的快速发展,发射任务接踵而至,张宽感觉自己“像陀螺一样,怎么也停不下来。”

从“长征五号B”运载火箭,到“天问一号”火星探测器,再到“嫦娥五号”探测器,过去一年里,张宽已马不停蹄地参与三场发射任务。

任务的前期准备往往是最忙的阶段。“每场任务前,我可能持续三四个月。凌晨2点多下班。儿子不到三岁,我经常只能看见他睡觉的模样。第二天早上7点,他还没起床,我就出门了。”那些深夜时刻,张宽疲惫不堪,可又因为惦记着任务,大脑容易兴奋,“一时半会儿又睡不着,导致一天只能睡三四个小时。”

密集的发射任务意味着,合家团圆的春节,张宽也常常在岗位上度过。他已经连续五年没回过家乡吉林,“我妈晕车,没办法来北京。我有五年没见到父母了。”张宽推测说,“估计今年春节我也没时间回家。”

“这种情况不是个例。”张宽指了指身边一位30岁左右的同事,“因为工作,他的婚礼一推再推,现在暂时订在了年底,也不知道来不来得及。”

“很多时候,我们都不是独自面对工作压力,随之而来的是,家人承受得更多。”张宽有些愧疚地说,“儿子一直是妻子和岳母在照顾,岳父还在老家上班。为了帮我们的忙,岳母也四年多没回过老家。”

在航天城生活区,张宽经常看到像自己岳母一样的叔叔阿姨,看着他们操着天南海北的口音聊天,他感慨万千,“看起来是我们这些年轻人在一线岗位上为航天事业努力,但实质上是很多人在接力从事这项工作。就像打仗,在战场上有士兵冲锋陷阵,也有无数百姓在后方推着小推车向前线运送物资。”

用数据游戏放松

笔筒和水杯立在两台电脑旁边,座机在桌面最右端,张宽的办公桌简洁整齐,每件物品都常年摆放在固定的位置上。柜子里,书和衣服也始终保持着固定顺序。这是工作要求,也是多年来他形成的行为习惯。

“有时,外界觉得我们太固化,但这些一丝不苟的流程,都是这么多年沉淀下的经验。”时常面对各种急迫又艰难的技术问题,乐天派的张宽在工作中却总是如履薄冰,“生活中把一些事看淡,问题总能熬过去,但任务不能看淡,一个技术细节没考虑到,可能就会造成重大失误。”张宽感慨说,各行各业的中流砥柱可能都背负着极大压力,只是,有的行业需要个性,但飞控工作容不得个人有太多发挥。

当背负的压力让他变得情绪压抑,张宽通常会靠一场长达六七小时的睡眠缓解。如果还不行,他就会拿出一种特殊的放松方式——做数据分析。

儿子降生前,张宽几乎把大部分空闲时间都投入到数据分析上。有时,他甚至周末两天都待在书房,沉浸在数G级的“数据游戏”中。“别人会觉得,我还在工作,但对我来说这是娱乐。只要有一点数据,从不同维度、不同角度去分析时,它们就会呈现出不同的现象与结构,这个过程很有趣。”张宽说,航天工作激发了自己无尽的兴趣,一旦发现遥测数据中有一些不为人知的规律,他会充满成就感,“有些成果还能应用到工作中。”

“我想试着将航天器的复杂程度定量化,这是一个神奇的科学问题。”他笑着说,和数据打交道时,感觉自己有点像民间科学家。

张宽从小就对数字敏感,读大学时,被计算机系录取。本科毕业后,出于对航天的兴趣,他放弃了生物数据分析专业硕博连读的机会,进入北京飞控中心工作。

“2007年,我到单位报到一个月后,又回学校攻读研究生。”张宽回忆说,那一年,自己和同学在食堂吃饭时,电视里恰好在播放“嫦娥一号”上天的新闻,他兴奋地指着电视告诉同学,“你看这个大厅就是我工作的地方。”他清晰记得,“当时,大家都露出了羡慕的表情。”

后来,张宽极少向外人透露自己的工作。毕业后,他的大学同学也对此一无所知。直到今年,学校一位老师不经意间发现,并发朋友圈赞叹。班级群里顿时就热闹起来,多年未见的同学们齐刷刷地为张宽点赞,“你做的工作怎么这么伟大!”

张宽坦承,此前,自己始终将这份工作看作一个普通岗位。在心底,他甚至有时会隐隐觉得,和成为名校教授、年薪百万的同学相比,自己发展得没有别人好。但在那一刻,他由衷地欣喜和自豪,“真切地感受到从事航天事业的荣耀”。

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