周末人物·中国新闻名专栏 任德鹏:“嫦五”采样我指挥

大众日报 2020-12-25 10:00 大字

12月2日晚,指挥完成嫦娥五号月面采样封装后,任德鹏在任务支持中心留影。 (图片由受访者提供)视频请扫描二维码观看□ 本报记者 杨学莹 徐佳 张楠

任德鹏,航天科技集团五院嫦娥五号探测器总体主任设计师,山东德州临邑县恒源街道沙河村人。12月1日、2日夜,他遥控指挥嫦娥五号在月面钻取、表取采样,可谓一位“月球挖掘机司机”。日前,趁他工间休息,大众日报记者来到北京航天城,采访了这位山东老乡,请他讲讲“嫦五”背后的故事。

读数采样无暇看视频

掌声提示动作成功

12月1日23时11分,嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面的吕姆克山脉。经过了几十万公里的长途奔波后,“她”仍不敢有半分松懈,在确认状态正常后随即展开了太阳翼、解锁采样装置,准备执行此行最核心的任务——月球样本采样封装。

38万公里之遥的地球上,北京正是深夜。北京航天飞行控制中心灯火通明。与其一路之隔的航天科技集团五院任务支持中心,一排排电脑前面坐满了人。44岁的任德鹏坐在第一排,正对着大屏幕。“嫦五”采样封装环节的指挥工作,由他来完成。

从2005年哈尔滨工业大学博士毕业来五院工作,任德鹏参与过嫦娥二号、三号、五号的研制。但在大厅参与指挥,这还是头一回。尽管之前模飞了17次,他仍难掩激动。

“控制器加电!”任德鹏喊出第一条指令。他感到自己的嗓子有点干涩。

这条指令,作为一条发令申请被传送到北京航天飞行控制中心。飞控中心工作人员确认后复述,一旁的发令员轻点鼠标,把预设的指令字符变成一串电码发出。电波穿过遥遥太空,被月面上的嫦娥五号接收,变成一个个动作。

开控制器、开电机、开相机,一切准备就绪。“钻进!”任德鹏喊出关键的一条指令。他面前有两台电脑,左边的一台显示遥测数据,右边的显示飞控中心的发令进程。左边电脑的屏幕上,钻进的圈数开始跳动,说明钻头已正常运转。遥测数据实时反映出钻进电机真实的转数。钻杆的驱动力和钻进电流起初很低,这是钻头在走“空行程”。突然,两个数字迅速增加,曲线陡然爬升,说明钻头接触到了月面!任德鹏心中一动,好似自己的手碰到了月面一样兴奋——钻取开始了!

金色的钻头触到了月面,把月壤“拱”起了一个小丘——大屏幕上,“嫦五”采样相机传回的实时画面,比电脑上枯燥的遥测数据更直观。而大屏幕对面的任德鹏,却没有时间抬头看一眼。他紧盯着电脑上的遥测数据,生怕错过任何一条状态信息。“我需要判读遥测数据,判断能不能挖、怎么挖。如果出现异常,要根据工况调整参数。如果不能继续操作,要喊停、启动预案。”他说。

“温度遥测正常!”“电流遥测正常!”任德鹏身边,坐着3排、每排8位同事,采样封装系统涉及上百条遥测数据,他们分头盯守、判读。报告声此起彼伏,任德鹏用心听着。他一边判断月面工况,一边发令控制采样进程,同时还要和飞控中心联系,确认探测器处于地面测站观测弧段内,指令能够顺利发出。

遥测数字实时更新,任德鹏的指令也不间断地喊出。每完成一个关键动作,后排掌声响起,他知道,动作成功了。随着钻头越钻越深,样品被封装在容袋里,最后落在了密封封装容器里。

“落罐为安”的一刻,掌声又响了起来。任德鹏发指令,整形机构展开避让。3个小时了,他这才活动了一下筋骨。

接下来是表取采样。任德鹏把月面目标点的坐标“告诉”“嫦五”,随后发出一串控制指令:触月、抬升、开铲、收铲。四个自由度的机械臂,各个关节能自主联动,它精准地执行了所有指令内容:温柔地触碰了月面,判断出与采样点的相对距离和方位;随后抬升手臂,为采样作业预留出合适的空间;接着缓慢地打开了采样铲,最后再次靠近月面并果断地收铲。

机械臂设计轻小,没装太多传感器。一铲下去,有没有铲实、铲满,主要靠地面人工判断。任德鹏一看图像,看看铲子里边有没有样品;再看电流,采集到样品后由于阻力的增加,收铲过程中驱动电流会随之增大;三看机械臂,如果收获丰多它会轻微晃动。确认铲中有物,他发出指令:“采样成功!”

“嫦五”在太空飞了这么远,不确定过程中机械臂是否受损、有没有产生形变,所以样品的“卸货”环节同样需要地面人员进行位置确认。任德鹏先将机械臂引导运行到样品容器的正上方,经过一番位置精调,待确认无误了,再发令放样。

一挖一放,这一次采样作业需要任德鹏连发几十条指令。最快的一铲,用时50分钟。上厕所,要在机械臂收拢放样的5分钟之内,跑去跑回。

2日上午9点,任德鹏下班休息,由一名同事接替指挥。他回宿舍只睡了3个多小时,午饭后就再也无法入睡。他知道此刻需要充分的睡眠,要为后续的工作养好精神,但心情始终无法平静,担心着采样的进程,在床上辗转反侧实在是种煎熬,索性起床又回到了任务支持中心。下午4点多,他接着指挥。

原计划表取采样需要持续到3日凌晨5点,共进行15次采样作业,没想到任务进行得超级顺利,12次作业就把样品容器装满了,2日晚上10点多,采样提前结束。

当封装好的采样容器罐被机械臂抓起来放入密封容器里的一刻,现场爆发出雷鸣般的掌声。未等所有指令发完,身旁的同事早已按捺不住激动的心情,急切催促任德鹏发布采样成功的通告。

此时的他稍微平静了一下心情,趁机械臂最后一次运行的工夫,终于有空抬头看了一眼大屏幕。这一看,他惊呆了。机械臂末端的相机正实时传输着月面的图像:“嫦五”降落在平坦广袤的月面上,粗细不均的月壤上散落着一颗颗大小不一的石块,犹如干涸的河床;脚下刚采完样的区域有几处明显的痕迹,像被小兽挠过的爪印,翻出新鲜的土壤。远处,分布着几个圆形的撞击坑,其中距探测器最近的一个尺寸最大,显然“嫦五”降落前早已洞察秋毫,避开了这个危险的区域;再远处,天际交接,上面是黑暗幽邃的太空,底部是荒寂灰白的月面,画面中的太阳经过相机消光处理,显得光芒万丈、格外明亮……

随着机械臂的摆动,不同角度、不同距离的景色被缓缓展现出来,眼前的屏幕就像一面透镜,瞬间把任德鹏带到了月面,带到了“嫦五”的身旁。不觉之间,他的眼睛湿润了,他仿佛觉得时间被永久定格在这一刻,十年辛劳远去,所有牵挂解脱,内心早已被月球安抚,感到如此安宁。

“大家抓紧再看一眼吧,这可是来自38万公里之外月球的影像啊!”任德鹏慢慢站起来,回头对同事说。随后,他依依不舍地发出了关闭相机、关闭电机、控制器断电的指令。

“各号注意,‘嫦五’探测器月面采样工作顺利结束!”任德鹏终于发布了成功的通告。大厅里一片欢腾,掌声、欢呼声彼此交织,大家起身握手、相拥在一起。

嫦娥五号探测器系统总指挥、总设计师、中科院院士杨孟飞大步走到任德鹏面前,跟他握手,表示祝贺。随后,他俩一起走出了任务支持中心大厅,在寒风中等车。两人不约而同地举头注视着月亮,那晚的月亮是那么皎洁、那么明亮。

坐在记者面前的任德鹏,抬起头来望着高处,好似又回到了那个时候。他因接连夜班而略显疲惫的脸上,突然焕发了异样的光彩。“啊!月亮。杨总说:‘你能想到吗?这时我们的探测器,一个还在围绕月球转,一个已经完成了采样封装。’”他回忆当时,“我们看着‘她们’出生、长大,一种自豪感在心中油然升起。平时顾不上看月亮,但那晚我们在外面等车的时间里,看了好大一会儿。”

“我们眼睛看到的月亮,和别人并没有不同。但我们心系‘嫦娥’,心中的月亮里早已将探测器的形象叠加了进去。”他说。

“每一天都不好过”

挑战极限的10年苦功

17次模飞、470次挖土、1000多人参与、10年光阴,这是“嫦五”登月不为人知的“前传”。

2020年10月的一天,海南文昌火箭发射场。台风登陆海南,室外狂风大作。基地的篮球架已提前放倒,集装箱也早已固定好。晚上10点多,杨孟飞总指挥召集大家开会。

大巴车把任德鹏和同事送到会场,车上坐满了人还是被吹得左右摇摆。散会后司机说,刚刚黑暗中被风吹来一只大鸟,想飞飞不动,只能在地上扑棱。

这时,发射已经进入倒计时,“嫦五”已经完成了最后的两次模拟飞行,即将被装到火箭的载荷舱里了。“其实,会上研究的并不是大问题。只是涉及一处操作,大家放不下心,讨论一下还有哪些工作要做。”任德鹏说,他们留出专门的时间,做回想、预想。杨孟飞总指挥要求,任务不结束,“双想”不停歇。

7月1日,任德鹏和同事从北京飞到文昌。他们给经过长途运输的“嫦五”开箱、检测、组装、测试、总装,进行两次模拟飞行。主份模飞一遍,备份模飞一遍。

“模飞跟真实发射过程一样,探测器加电,只是不飞行,但是该做的动作都要做。比如太阳翼可以不装,但机构要做动作;所有的信号、数据都要传回来。所有人也跟在轨发射一样,各就各位,三班倒。每次演练,就是20多天。”任德鹏说。

加上在海南的这两次,任德鹏记得,嫦娥五号发射前,总共进行了17次模飞,这只是“正常模飞”,如果再加上模拟某部位出现故障的“故障模飞”,他已经记不得次数了。

直到嫦娥五号完成与火箭的对接,临发射前,测试仍在进行。电压、温度等数据通过无线方式,透过火箭整流罩上的透波窗被发射出来,以确保状态正常。任德鹏说,放行规则要求探测器加电测试满1000个小时即可发射,但“嫦五”的“轨、返、着、上”4个探测器都加电超过3000个小时。

围绕“嫦五”任务的四个关键环节——采样封装、月面起飞、交互对接、再入返回,任德鹏他们进行了大量的系统仿真和地面试验。他说,试验要求苛刻到自己一度觉得“难以理解”。

2013年,当时担任试验负责人的任德鹏接到一个任务:“嫦五”着陆专项试验,要真“摔”。参与了“嫦三”研制的任德鹏不理解:以前“嫦三”做着陆试验,探测器只需完成悬停、避障、缓速下降环节的验证,并不真正落地。而且单从验证角度讲,它落地不落地,并不影响试验的目的。何况原来的试验设施是满足“不落地”的,这下子要求真实着陆,硬件都要大改动。

任德鹏很苦恼。他苦思冥想,没想好解决之道,于是找相关专业的同事来一起研究、攻关。经过一番努力,还真的实现了要求。探测器就真的一次次带着推进剂、发动机点着火往地上“摔”,起初试得人心惊肉跳,慢慢地才摸到了底线。

采样封装,他们用一个两米多深的容器装上不同混合比例的“土”“石”,试验钻采。又模拟落月区地形修建了专门的沙坑,模拟表采。不同土质、不同地形,试验了470多次。

月面起飞,最怕的是着陆器落歪了。“试验规范规定试到15度倾斜角即可,而杨总要求,还要往下做,直到做到翻为止。”任德鹏说,最后就做到了23度。连倾斜台都不能调了,超出极限了。“23度相当吓人了。如果你开车爬23度的坡,基本上只能看到蓝天,看不到路了。但是没办法,必须做到技术见底、产品见底。”

一切挑战极限的努力,在“嫦五”采样成功的这一刻,瞬间都被理解了。“值得呀!”任德鹏说,比如“嫦五”实际落月,姿态倾斜了不到3度,他一点也不担心。“在地面上,我们做的试验比这严酷多了。技术见底了、产品见底了,心里才能有底。”

挑战极限,不仅在试验环节。“嫦五”的整个设计、研制过程,攻克了很多难题。任德鹏说,2011年“嫦五”启动研制时,长征五号也还在图纸上,预计地月转移最多能“打”8吨多。受运载量限制,在方案设计上,“嫦五”就无法采用一体飞回的模式,只能用交会对接方式,抛下着陆器、上升器,返回地球。他们甚至还论证过两次发射,即两次地面发射,然后地球轨道对接,再奔向月球的方案。最后才确定了月球轨道交会对接的方式,但这种方案对对接精度提出了极高要求。

同样因为运载能力限制,确定嫦娥五号重约8.2吨,这样每个部件都要“克克必较”。围绕结构轻量化,就需要很多技术攻关。一个轨道器,设计单位航天八院就首次使用了大承载复杂构型轻量化结构、多次分离复杂构型、多冗余路径复合传力结构等7项创新技术。轨道器的承力球冠,自重46千克,能承载3吨重的贮箱,具备30吨的极限承载能力,被称为“鸡蛋壳上挂秤砣”。位于山东的航天513所,此次研制的配电产品功率增大了,体积和重量却比传统产品减少了30%。

“每一天都不好过。每一个单位都在拼。”任德鹏说。10年间,负责抓总的五院,参与“嫦五”研制的队伍有200多人,加上其他研制单位、单机厂商,前后参与嫦娥五号研制的有1000多人,他们在各自岗位上都付出了巨大心血。

总师亲自试“炮仗”

6万多张照片应对各种“不放心”

航天装备被称为“一锤子买卖”,在天上坏了没法修,这就对其可靠性提出了严苛要求。为了“放心”两个字,研制人员付出了比一次研发多十倍八倍的辛劳。

即便是百般模拟、测试,探测器上仍有不可检、无备份的“单点”。比如解锁太阳翼的火工品,就是这样一个“单点”。你点火试验吧,它就爆了、废了;你不试吧,一旦它上天哑了火,太阳翼就展不开,探测器就没了电,成了废铁。

任德鹏说,对这个至关重要的“炮仗”,杨孟飞总设计师亲自带队去查看、去检测。他们看各厂家的设计图纸、生产过程记录,查火工器的加工、装药,查点火头的备份、给火工器做X光透视。每个厂家,他们按生产批次、生产环境、操作工等因素分类,将同批产品抽样试爆,推测其“同伴”的可靠性。任德鹏说,光这个“炮仗”,杨总带着他们查了20多天,高温起爆、低温起爆、常温起爆,一天不止起爆一个。

所有零部件装到探测器上时,研制人员都要拍摄过程作为记录,放到数据库里存档。谁不放心了,随时调取出来看看,回放一下,思量思量。有一些环节装上以后就再也看不到了,影像记录下来后,随时可以调取、回想。仅在总装的前期,就拍了6万多张照片。

确保万无一失,很考验人。“就说部件吧,金属的时间长了怕氧化,非金属怕老化,你得考虑各种情况。比如聚四氟乙烯阀芯,如果在月面上工作久了,它可能会膨胀,就把阀门给堵死了,打不开。要知道,阀门的动作行程一共就几丝。”任德鹏说。

月球环境中,还有很多地球上想象不到的问题。任德鹏说,比如焊锡光晶晶的表面,在真空中会生长晶须,一旦扎破热缩套管,容易造成短路、烧毁器件。另外,两块长期挨在一起的相同金属,在真空中没了空气隔膜,它们的原子会相互扩散,“粘”在一起,产生“冷焊”现象,该分开时分不开,就会坏了大事。这样,在地面上就要抽真空模拟试验,确保部件在任务执行期间,不出现这些问题。

“正常的工作你可能只设计一遍,但为了应对各种非常,你可能要设计8遍、9遍。在关键的环节还要提前准备各种应急处理预案,我们最终展示出来的,只是工作的冰山一角。”任德鹏说。

推迟发射三年

队伍没散设计更优

嫦娥五号原定2017年发射。本来一切就绪,准备去发射场了,7月份大家突然接到消息,任务暂停,停到何时不确定。按理说所有工作都完成了,设计也都满足要求了,“嫦五”可以封存,队伍也可以各忙各的去了。但总设计师杨孟飞决定,队伍不散,继续优化改进。他发起了一个“可信”活动,让总体设计人员、分系统设计团队、各单机厂商之间互相交流、互助提高。

“以前时间紧、任务重,大家埋头各干各的一块,对其他部件知之不多。这下子,你要给别人证明你设计正确、验证充分、过程可靠,就反思了自己;外单位、外专业同仁给你投票、提意见,也启发了你。”任德鹏说。

他说,活动进行了一年多,大家踊跃参与,还真改进了不少地方。比如一个电缆网接头,连着几十上百个电缆分支,排不开了,就自然而然地用了两个。本来,一根电缆的主份、备份电缆都从一个接头走。有人提出改进意见:这样走线,一旦有一个电缆网接头坏了,上面接的电缆,主、备份都不通了,应该让同一根电缆的主、备份分别走不同的接头。“原来并没有这样的设计要求,只是你排得开就行了。这会儿就要重新走线。完全是我们自己在定标准、自己在突破。”他说。

原来,单机设计单位各干各的,谁也没有去数整个探测器上到底有多少根电缆、多少个接头、多少个螺丝钉。“总设计师要求我们,要做到每根电缆、每个接头、每个螺丝钉都清楚。那我们就真的一个个去数,直到了如指掌。”任德鹏说。

一年多的“可信”活动下来,再打开在氮气中封存一年的“嫦五”进行改进、测试时,大家发现,对“她”的认识又上升到了一个新高度。

让任德鹏最“头大”的是,有时候设备出现异常又找不到原因。

“嫦五”研制初期,有一次,一个部件一测试,镜头“飘”了,光轴偏了。这个镜头负责高度测量,光轴偏离一丁点儿,会导致测出几十米的误差。不知道是啥原因,研发人员夜以继日地排查。他们在地面做小量级的试验,震一下,看一看光轴偏了吗?再震一下,看看光轴恢复了吗?整整一个礼拜才找出原因。原来是卡镜头的地方松动了,镜头轻微晃荡,只需要恢复卡紧状态就解决了。

“我们内部叫‘归零’,技术归零、管理归零,出了故障要做到双归零。技术归零就要找到原因,把问题复现。你猜原因不行,一定要模拟出当时的情况,把问题复现出来,然后制定改进措施,而且要措施有效并举一反三。管理归零也一样,为什么出现的?哪个管理环节松懈了?要一追到底、彻底杜绝。”他说。

10年心血,23天亮相。记者截稿时,“嫦五”还在飞奔地球的路上,任德鹏又去北京航天飞行控制中心长城岗值班了。这个岗位负责汇总地面测站所有遥测数据,报告给北京岗。这一串串外人看来枯燥难懂的数据,在他看来却美妙动人,像一串串脚印、一个个台阶,蕴藏着中国航天人才懂的成功密码。

12月1日,前去指挥采样的那晚,13岁的女儿对他说:“爸爸,今天的月亮是红色的。”“这本来是个正常的现象,但在我看来,是个好兆头。”他笑着回答。

这天晚上8点多,飞控队召开动员大会,在会上任德鹏发言说:“研发团队、航天前辈、祖国人民都在关注着我们,职责所在,我们没有理由不判读好每一个遥测,没有理由不发对每一条指令。另外不要有太大的压力,要充满必胜的信心,因为,苍天不负有心人。”

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