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2022年科技工作者日暨科技周 | “最美科技工作者”张爱兵:探索未知、攻坚克难、精益求精,实现空间探测技术跨越式发展
发布时间: 2022年5月26日

 

张爱兵,中共党员,国科学院国家空间中心研究员,空间环境探测重点实验室副主任,主要从事空间等离子体就位探测技术的研究

 

 

主要事迹

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张爱兵2003年硕士研究生毕业至今任职于中国科学院国家空间科学中心,先后任研究实习员、工程师、高级工程师、研究员,负责多个型号任务(主要包括小天体探测任务、嫦娥七号、天问一号、嫦娥四号、中欧合作SMILE计划、电磁试验卫星、风云系列气象卫星、中俄合作萤火一号、嫦娥一号/嫦娥二号、中欧合作双星计划等)的空间等离子体探测载荷、主持或参与多个空间等离子体探测载荷预先研究项目。获“探月工程嫦娥二号任务突出贡献者”称号、“探月工程嫦娥四号任务突出贡献者”称号、北京市科学技术奖二等奖1项、北京市科学技术奖三等奖1项、赵九章优秀中青年科学家奖(空间探测)、中国科学院“十佳科苑名匠”荣誉称号、中国科学院关键技术人才称号,在国内外刊物发表文章30余篇,获授权发明专利6项。

主要从事空间等离子体就位探测技术的研究,突破了该类载荷研制中的传感器和高压电源两方面的关键技术,研发出一系列新型探测载荷,各项技术指标达到国际先进水平,填补了国内多项空白,实现了我国空间等离子体就位探测载荷技术的跨越式发展。

 

1. 传感器技术方面:

大视场、高动态范围和离子成分分辨是传统空间等离子体就位探测载荷传感器的关键技术。张爱兵带领研究团队用十几年的时间,在上述技术方面完成了对国外同行历时几十年研发技术的赶超,突破了大视场、几何因子控制、基于TOF的离子成分分析等关键技术,使得该类载荷的视场由360°×7°扩大到360°×90°、动态范围提高2个量级并实现了离子成分分辨,这三项技术中的1项或多项已成功应用在天舟一号、风云气象卫星、天问一号等型号并正在应用在中欧合作SMILE任务、小天体探测任务、嫦娥七号等型号的同类载荷上。

在新型等离子体就位探测载荷传感器技术方面,张爱兵也正在带领团队取得了巨大进步。突破了离子成像探测关键技术,使得国内该类仪器的时间分辨率由秒级提高到毫秒级,并已应用在空间站实验舱载荷。突破了粒子轨迹高精度调制关键技术,在国际上首次将空间等离子体中的离子和中性粒子通过单一传感器实现探测,既实现了高性能指标、又完成了小型化,该技术成功应用在天问一号火星离子与中性粒子分析仪上,对火星附近的离子与中性粒子进行了探测。突破了轻小型化高性能飞行时间系统关键技术,使得我国天基就位气体探测的成分分辨率指标提高了两个数量级,为彗星等地外星体的气体成分探测奠定了技术基础,该技术已应用到小天体探测任务。

 

2.  高压电源方面:

大量程、高速度、高可靠的高压电源是空间等离子体就位探测载荷的电子学关键核心部件。张爱兵带领其团队实现了该类高压电源的输出范围从5V~2500V扩大到0.2V~20000V、变化率从10kV/s提高到2000kV/s,使得该类载荷的能量测量范围、时间分辨率指标达到国际先进水平,研发的国产高压电源已经成功应用在风云气象卫星、货运飞船、天问一号等型号等离子体就位探测载荷,正应用在中欧合作SMILE任务、空间站、小天体探测任务、嫦娥七号等任务的同类载荷上,并已推广应用到了太极一号、嫦娥七号等其它类型载荷。

 

 

感人故事

 

1. 不放过任何一个瑕疵

张爱兵负责的一台仪器在交付前的自测试中,同事向他汇报了一个“小”问题:仪器在某次开机时出现了一次数据异常现象,但再次开机后仪器工作正常,之后的十几次连续开关机测试该问题都没有再出现。

仪器第二天就要交付,鉴于这个问题发生的概率很低,并且即使在轨真的发生还可以通过断电再加电的方式使仪器恢复正常工作,因此他的同事建议放过这个“小”问题。但张爱兵立即否定了这个建议,认为仪器绝不能带着瑕疵交付,一个小问题如果不能搞清楚原因,就有可能导致仪器在轨无法正常工作、科学探测目标无法实现。于是他让同事又用了将近半天的时间进行了100次的开机/关机实现,问题还是没有复现。

但张爱兵仍然不想放弃,他马上又用了仅半个小时的时间紧急设计并用元器件搭建了一个配套的自动测试电路,替代原来比较耗时的手动开机/关机动作,大大加快测试速度。功夫不负有心人,终于在后来数百次的开机/关机测试中复现了一次相同的数据异常现象并抓到了异常发生时的相关信号。经过对这些信号的深入分析,张爱兵将问题定位到了仪器开机时的一个软件设计缺陷,通过对软件进行改进和测试,终于在第二天的凌晨3点多解决了这个隐患,使得仪器以健康的状态顺利交付。随后他针对这个问题还编写了技术规范,推广到实验室的所有项目中,以便举一反三。

 

2.  坚持自立自强

宇航用高可靠高压电源是空间等离子体探测仪器及类似仪器的核心部件,决定着仪器的测量范围和时间分辨率。因为最初的技术差距,嫦娥一/二号时张爱兵所负责的仪器使用的高压电源中有部分进口高压模块,但由于进口限制而只能采购质量等级低的产品,要进行升级筛选测试。

而这款进口高压电源模块的多个产品在测试过程中出现了一些小问题。起初张爱兵以为是中方自身的整体设计方案或使用方法上存在问题,于是一项项排查,一度焦虑得坐卧不安。直到所有设计方案和使用方法都确认无误后,他才确定症结所在是进口高压电源模块本身存在一些缺陷,但外国厂商却不承认这是其设计瑕疵。虽然最终从数量众多的产品中挑选出了合格的产品使用,但他也由此受到很大的刺激,暗下决心,一定要自己进行这类高压电源的设计和研制。

经过五年的不懈努力,他带领科研团队经历了几十次的调整,一次又一次失败,再咬牙重新站起来,终于攻克了多项设计和工艺方面的关键技术,实现该类高压电源的国产化,高压电源的输出范围从5V~2500V扩大到0.2V~20000V、变化率从10kV/s提高到2000kV/s,并且从“大而笨”变成了“小而精”。