作者:温才妃 许文艳 来源:中国科学报 发布时间:2021/3/9 12:53:54
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“小曲线”解锁嫦娥落月

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在空间核电源实验室,陈熙萌(左二)、邵剑雄(右一)正在指导研究工作。

回想2013年“嫦娥三号”首次成功软着陆的时候,陈熙萌全程盯着直播画面,缓缓吐出一口气:“这事终于成了。”2020年,“‘嫦娥五号’快要在月面着陆时,我一直密切关注着动态,不知怎么就红了眼眶,情绪难以平静,持续了很久。”邵剑雄扶额停顿了一下说。

2020年12月1日,中国“嫦娥五号”探测器在月球成功软着陆,并于12月17日安全返航,成功完成了我国首次地外天体着陆并采样返回任务。这背后凝聚着一群兰大人的智慧。

兰州大学核科学与技术学院教授陈熙萌和邵剑雄科研团队与航天院所有关单位合作,承担了“嫦娥五号”软着陆关键装置——伽马关机敏感器近月面精确测高曲线以及月球着陆环境影响的研究工作,成果应用于“嫦娥五号”首次月面软着陆并返回任务。

当难题遇到勇气

在整个大工程中,他们虽然做的是“小事”,但在“月面软着陆”这件事上,却持续起到了关键的作用。

在“嫦娥五号”落月最后阶段,“精确”测定嫦娥着陆器距离月面高度,确保反推发动机在合适高度处关机,成为“嫦娥五号”把握时机、踩准“刹车”的关键一环,关系到整个任务的成败。在月球复杂环境和动态着陆下,能够在极低空“精确可靠”地测定高度很有难度。“嫦娥三号”任务之前,在月球上人们没这样干过,当时航天院所一直在寻找解决方案。

接到航天院所邀约电话的时候,陈熙萌正在外地开会。他明白这个课题很有挑战性,便赶回学校和邵剑雄商量。“敢不敢接?”他平静地问。“硬着头皮也要上!”邵剑雄回答。

他们认为,这不仅仅是一个国家战略需求,还是将所学真正用上并为国家做实际贡献的难得机会。此外,航天是一个重要领域,打开这扇门后,有广阔的应用前景。

“嫦娥五号”的任务比“嫦娥四号”更加复杂,要完成着陆、采样、上升、返回任务,其中一个难题是在极端和复杂月面环境下,排除干扰、精确测高,确保“嫦娥五号”稳定工作。而月面软着陆环境复杂,在极低空处其他测距方式不适用或者精度不够。他们选择了伽马射线这种穿透力强的高能光子,通过系统性研究及试验验证,保证了精确测高。

根据伽马射线的康普顿散射等效应,发射器发射伽马射线,接收器接收从月球环境中散射回的伽马光子,接收到的光子数目和高度存在着对应关系。然而,这个对应关系,即月面测高曲线是未知的,之前无人测算,更不用说精度问题了。陈熙萌、邵剑雄团队通过大量科学的理论分析、工程化计算,并结合系统性的试验验证,与航天院所同志们共同确定了这条测高曲线,以确保“嫦娥五号”这一更为复杂的体系软着陆成功。

“伽马射线的放射源只有小拇指盖大小,对应着一个圆锥形照射面。”邵剑雄比了比小拇指。在“嫦娥三号”任务中,团队发现有一着陆腿在放射源的照射范围之内,提出调整着陆腿角度的建议。这是“牵一发而动全身”的工程问题,必须经过充分严谨的工程计算验证。团队用精确详实的研究结果,证明了调整着陆腿角度的必要性。

走在前头的考虑

在“嫦娥三号”任务时,航天院所有关单位提出建立一个“大型月面软着陆环境模拟装置”。考虑到时间紧、任务重、责任重大,对是否建这个“大真空罐”是有争议的。

在这之前,陈熙萌、邵剑雄团队进行了“大真空罐”的物理分析及设计,通过系统计算及周密论证,用详实的数据为最终建立起这个“大真空罐”奠定了坚实基础。“现在看来,这个装置是建对了,嫦娥任务、火星任务模拟试验,包括未来月球探测、深空探测模拟试验都可能在这个装置中进行。”邵剑雄说。

获知这一信息,在“嫦娥三号”任务时,航天院所有关单位就找到他们。十多年来,他们合作的成果被“嫦娥三号”“嫦娥四号”“嫦娥五号”连续应用。其中,五号装置对之前三号和四号装置进行了优化,提高了精度和可靠性,确保了此次任务的完成。

出色完成“嫦娥三号”任务后,陈熙萌、邵剑雄团队接到航天院所另一个具有战略意义的合作邀请——共同研发深空探测用的空间核电源系统,解决我国空间核动力能源供给终极问题。经过航天型号任务总指挥、总师等鉴定,团队研发产品的核心指标在国内领先,下一步将稳步推进工程化。

在参与探月工程和空间核电源项目中,压力和紧张是不可避免的。谈到解压方式,邵剑雄说:“陈老师喜欢打羽毛球,挥臂运动有诸多好处,也喜欢和我一起聊聊天;我喜欢一个人静静地待着,就像乌龟,每天爬一点点。”

关于科研工作,邵剑雄透露了他的“法宝”。“心态平和、放松地去工作,不计较一城一池之得失。因为喜欢,我可以尽情投入,享受生活和工作、挑战与失败,敢想敢做,乐在其中。”

打磨“小将军”

陈熙萌、邵剑雄的团队共由10多位教授、副教授、讲师、工程师,以及40余名研究生组成,是集物理分析、仿真建模、产品设计、系统研制、试验验证等科研和工程于一体化的团队。

“理工结合更能开拓学生的思路,让学生理解‘原理’和‘产品’之间的巨大差异。把活儿做在实处,在实处把活儿做细。”邵剑雄说。

“陈老师和我对核心工程负责,项目团队成员分工协作,讲究系统作战、团队作战能力,不能单打独斗。”邵剑雄说,要整体推动一个工程团队的前进,讲究进度、质量、系统性的任务分解,一级抓一级,非扁平化管理。“我们对测高装置和探测器进行综合优化设计,还要把整个进度、团队安排好、对接好、推进好。时间极其紧,‘嫦娥三号’做了三四年,因为技术越来越成熟,后续所用时间才更短。”

兰州大学粒子物理与原子核物理硕士研究生杨智随指着实验室桌上的笔记本电脑说:“邵老师平时就在这儿办公。有好几次他和我们一起熬夜赶报告到凌晨四五点,白天又继续陪学生一起做实验。”

邵剑雄为了赶一个实验,曾四五天连轴转,赶去北京和航天院所的相关负责人参加项目推进会。他在台下睡着了,大家知道他累没叫醒他。“会议结束了我还没醒,被叫醒时都不知道身在何处。觉得很丢脸,至今都过意不去。”邵剑雄回忆道。

从“嫦娥三号”到“嫦娥五号”,项目组每两周进行一次工程推进会,汇报的报告数千页,每份报告动辄几百页。项目分系统总师曾评价,“陈熙萌、邵剑雄团队是与我们合作多年来我们最满意的团队”。

实际上,这个项目也是“新工科”建设在核学这个点上的一个经典案例。陈熙萌、邵剑雄的学生中,韩承志从“嫦娥三号”任务时就跟着项目组做部分仿真分析工作,如今已到航天院所工作;杨爱香、刘文彪和邱玺玉等为项目组编制了国产化的仿真软件系统和平台,“团队后续的仿真工作都是在这个平台上进行的”。

“要在艰苦实战中磨练学生解决问题的能力,让他们在实验中迅速找准问题,还要有快速沟通合作能力、抗压能力,进入工作岗位才能很快上手。”邵剑雄说,“我从不盯着学生在实验室做什么,有没有看论文、做实验。他们应该在真实环境中历练,在干扰环境中培养自我管理的能力。我们要培养的是自主自立的强大‘战士’,每一名学生组长都是能独立带团队的‘小将军’。”

杨智随刚来时很内敛,邵剑雄就让他带10个人完成样机搭建测试等任务。现在,杨智随已经蜕变成有领导力、放得开的人。

传承的品质还不止这些。

在邵剑雄的印象中,自己的导师陈熙萌是一个遇事特别冷静的人,“在我的学习生活中,不论遇到什么问题、不论成与败,陈老师都慢条斯理、耐心细致地引导我”。

邵剑雄认为,自己冷静就是对学生最大的鼓励。无独有偶,杨智随也是这么描述他的。“邵老师很耐心、细致,让人觉得亲近。他总说希望我们像冲锋陷阵的战士,不要怕失败,勇敢去尝试、冷静去思考。”

(陈浩、王瑛对本文亦有贡献)

 
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