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一个研究生的火星任务日记（三）
——每个航天器都是一件平衡的艺术品
原作：徐鹏晖
编排：王璞
后台：库特莉亚夫卡 李子琦
就在轨道设计那边争分夺秒的同时，另一边载荷设计-航天器设计这边也是在连轴转。
科学目标确定以后，我们兵分三路，小陈同学负责星上遥感载荷和火星车载荷，师兄负责星上粒子探测载荷，师姐负责无人机。
不光是有效载荷，航天器上其实还包含了很多其他的分系统。以卫星为例，除有效载荷外，还包括结构机构、姿轨控、推进、测控通信、综合电子、电源、热控、总体电路等分系统。每一个分系统都有其自身复杂的内部构成，要对它们进行设计所覆盖的知识范围实在太广，包括但不限于机械、电子、通信、计算机、导航、材料、工程热物理等等（其中很多知识特别是通信方面的我都是自己课外去补的）。而这些分系统之间还会相互影响，比如推进分系统的推进剂贮箱得在太空中保持很窄的温度范围才能让推进剂维持液态从而正常工作，因此热控分系统就要对此有所考虑，然而这样一来所消耗的功率会有所增加，又会给电源分系统带来负担……诸如此类，不一而足，无疑加大了设计难度。
除了航天器自身内部的复杂结构，航天器外的其他与任务相关的系统也会对航天器提出限制要求。比如运载火箭会对航天器的总重和包络尺寸提出限制，不考虑这个的话设计出来的航天器可能会面临火箭带不动或者没法装进整流罩里的惨剧。
而这所有的需求与限制最终是需要一个人来协调的，不然大家都想把自己的需求最大化，这个工程就别想攒得成了。这个事情自然就落到了我的肩上，但随着任务设计的进行，我深感人手不够，于是小陈同学和师姐也被拉了过来一块做航天器分系统的设计。（说真的我这个时候才意识到这个项目实在太大，就算是概念论证都太大了，我们小组6个人完全不够用）
有效载荷设计完了以后相关的数据有了，我和小姜同学就赶紧开始搞航天器总体。无数轮debug以后，大概搞出来了这么个东西：
这是一个轨道器+着陆舱的组合体模型图，方块部分是轨道器，顶上的圆锥圆台组合体是火星车着陆舱，着陆舱负责在EDL过程中为里面的火星车提供安全软着陆的保障，轨道器尾部的是发动机喷嘴，侧边的是高增益天线(HGA)和太阳帆板
图片来源 小姜同学
这是着陆舱主要结构的分解图，着陆方式参考了“好奇号”火星车，在EDL过程的最末端采用天空起重机进行悬停选址和辅助火星车软着陆，其实设计过程中也考虑过用气囊缓冲等其他方式，因为毕竟天空起重机本身的质量也很大，而且用完就扔了，效率不高，但火星车本身有近600kg的质量（相比之下天问一号火星车的质量约为240kg[1]），这意味着只有天空起重机才能把这个“大胖子”安全送到地面
图片来源 小姜同学
但是光有外观还是不够的，组合体的各项参数都需要具体设计给出，包括质量、尺寸、功率、数据传输码率、工作温度、姿态控制要求、寿命等等。其实光质量一项就够头疼的了，第一轮综合下来组合体干重（不包括推进剂的质量）就有7t左右，要知道长征五号的TMI运力也才5.5t左右。
群里没人说话，谁都知道接下来必然是一个大砍总质量的过程。
然而第二轮综合之后，我傻眼了，组合体干重居然还有6.5t，这一定是哪里出了问题。仔细盘点细节后我才发现，我们由于相关数据不够，很多地方的质量数据都是往大了估的，这导致我们的总质量数据里有很多“水分”。
于是接下来的一段时间里，知网、web of science、elsevier、springer成了我浏览器里最常用的几个网址（以上几位出版商请记得给我打广告费）。在拉了几十篇论文以及网上的现成产品数据以后，我满怀期待地开始了第三轮综合。
结果干重5.5t……
“真的，挺绝望的……”
“质量就像海绵里的水，挤挤总是有的嘛。”
“终于要到这一步了吗？”
这时还有最后一个办法，也是我最不愿意用的办法，就是砍掉部分有效载荷。因为平台是围绕有效载荷的需求来设计的，砍掉有效载荷不仅能减少有效载荷自身的重量，配套的分系统也能减重不少，由此带动推进剂质量的减少，减重效果是非常显著的。但相应的代价就是无法保证科学目标的有效完成，不得不对科学目标瘦身。
我找到小陈同学：“你设计的那些有效载荷能不能列个优先级列表给我啊？”
“这是……准备要砍载荷了吗？”
“说实话我也不想，但是如果下一轮减重还是这样的话我没办法只能这么干了。”
“那好吧。”
最后我把大家都喊来开了个线上会议，用这个更为高效的沟通方式成功找出了更多问题，成功把干重压到了3t，这个优先级列表也就没有派上用场。但是这意味着一个事情，即虽然航天器平台在构思上是以科学载荷为中心的，但并不意味着科学载荷不可修改。在实际操作中，总体设计人员经常要像这样根据各方需求和限制将设计方案来回修改，在科学家和工程师们中间做各种协调和取舍，实乃“平衡的艺术”。
不光是质量，各种仪器在轨道器上安装的位置、通信码率和时长的分配、功率分配等等，都是像这样经过多轮的精打细算安排出来的。然而百密一疏，水平有限，最后设计出来的东西还是留下了太多漏洞，乃至于到了答辩的那天……
“小姜小姜，这要出事，你赶紧看看前一组现在的那个问题。”
“咋了？”
“这不是在说那个星敏感器的安装位置问题吗？前一组的好像出问题了，然后我赶紧看了下我们的，好像是一样的问题……”
“完蛋……”
“现在赶紧改吧，然后改完之后你把截图给我，我直接把ppt里的相关图片换掉，应该还来得及。”
于是我们开始了惊险刺激的现场改图，那刺激程度就和期末考试收卷前几分钟疯狂涂整张试卷的答题卡不相上下。一番极限操作后，我们还是在开始展讲前5分钟成功把ppt上的出错图片换下。
说实话我到最后答辩结束后都还是觉得我们这个任务的航天器平台的设计还是有很多疏漏的地方，比如300kg质量预算的轨道器承力结构强度究竟几何还得打个问号。
所以对于那些已经通过实践检验，证明了自己是个成功的作品的那些航天器而言，它们的价值是不言而喻的。也许它曾在热搜榜上独占鳌头，也许它只是一颗小小的立方星，而在它成功出厂的那一刻起，它就是一件平衡的艺术品。（未完待续）
参考资料：
[1]http://tv.cctv.com/2020/07/23/VIDE3r9sZ4iqou0u9WtYmoc9200723.shtml
责任编辑：艾宇熙
牧夫新媒体编辑部
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