【团队风采】绽放的紫丁香——记哈工大学生微纳卫星研发团队

发布者:闫明星发布时间:2015-09-20浏览次数:12710

    哈工大报讯(吉星 文/图) 发射卫星是韦明川的梦想,是他从大二到博一5年来一直不曾停歇的梦想。

    自2013年从电信学院考研到航天学院后,只要在学校,韦明川几乎就是长在了哈工大卫星技术研究所。甚至有时候半夜一两点睡不着,他还轻手轻脚地起床,从一校区的学生公寓走回科学园里的实验室。

    夏天的风吹过脸庞,空气中弥漫着丁香花的味道,城市夜空的星星看不清楚,可是韦明川心中的星星却在闪闪发光。他不由地想起了2010年初,哈工大业余无线电俱乐部提出“紫丁香一号”小卫星研发方案时的情景。虽然当年志同道合的伙伴们有些已经各奔东西,可倾注了大家心血的卫星却一直做了下来。

    作为自主招生录取到哈工大的学子,中学时代的韦明川在创新实践和电子信息方面就有着不俗的表现。因为对无线电感兴趣,2009年秋入学不久,他就加入了哈工大无线电俱乐部。哈工大本身就有着自主研制小卫星的辉煌表现,2009年12月15日,中国首颗业余无线电通信卫星“希望一号”发射成功的消息更是让韦明川萌生了自己动手研制小卫星的梦想。

    当然,在刚刚起步时,几乎没人相信他们会坚持做下去,更不会相信卫星能发射出去。时至今日,团队汇聚了韦明川、郭金生、俞阳、吴凡、夏开心、冯田雨、王骋、张天赫、苗悦、邱实、胡超然、张扬雨、米明恒、张冀鹞、龚肇沛、裴乐等16名骨干学生,累计吸纳了40多名学生参与设计与研制。当初一个人的梦想成为一个团队的梦想,并且梦想也真的实现了——2015年9月20日7时01分,我国首颗由高校学生自主设计、研制与管控的纳卫星“紫丁香二号”在太原卫星发射中心成功发射,而“紫丁香一号”也将于2016年发射。

缘起“紫丁香一号”和“紫丁香二号”

    “是QB50工程项目让我们真正成为一个团队,并且凝聚出战斗力来,这期间王峰老师和李冬柏老师起到了非常关键的作用。”作为两颗卫星总体设计兼测控的韦明川说道。

    QB50工程由比利时冯卡门流体动力研究院联合欧空局等机构于2010年提出,受到欧盟第七框架协议支持,邀请全球高校参与,采用50颗立方体卫星组网,计划2016年底发射。QB50工程是目前世界上参与国家和地区最多的微小卫星国际合作项目,也将是一次发射卫星最多的项目。

    王峰是哈工大卫星技术研究所的青年教师。2010年11月,他在荷兰做访问学者时得知QB50工程将要启动后,马上咨询了航天学院院长曹喜滨,提出哈工大是否也可以组建学生团队参与此事。

    “通过纳卫星国际项目的合作,可以加强与国际上顶级航天领域学校院所的交流机会,提升哈工大在国际航天领域的影响力;通过学生自主研制,掌握纳卫星的核心技术,拓展哈工大航天研究领域,同时对探索我国纳卫星的应用前景具有积极意义;采用学生独立设计、研制的方式,可以探索高校航天学科高层次人才培养的新模式。”基于这样的考虑,曹喜滨果断决定参与此事。

    机遇总是垂青有准备的头脑。2011年夏天,韦明川正在和哈工大业余无线电俱乐部的伙伴们为进展缓慢的小卫星计划苦恼不已。偶然在网上看到学校参与QB50工程的消息后,他难耐欣喜,第一时间找到了负责人王峰。一心想做卫星的韦明川和力促参与QB50项目的王峰不谋而合,双方相谈甚欢,于是一边按照QB50工程要求制定卫星方案的同时,一边着手开始组建以学生为主的纳星研制团队。2012年1月,在学校科工院、航天学院的指导和大力支持下,在各相关部门的积极配合下,围绕“科研服务于拔尖创新人才培养”的目标,国内首个由学生亲自参与设计、研制、调试与应用的纳卫星团队正式成立。学校从资金上也给予了扶持。

    2012年5月,团队设计的“紫丁香一号”立方体卫星方案正式入选QB50项目。“紫丁香一号”纳卫星仅重2公斤,轨道高度约 350千米,在轨寿命约3个月,肩负着探索人类尚未涉足的90到300公里低层空间的重任。王峰介绍说,作为哈工大学生自己研发的科学与技术试验立方体卫星,“紫丁香一号”搭载了离子与中性粒子质谱仪、非制冷红外相机、多模式数字转发器,用于开展大气低热层组成研究,实现对大气的中性粒子、带电离子的组成与分布、阻力参数、大气温度与磁场进行多点在轨测量,同时完成对地监测与业余无线电转发通信等功能演示。

    那“紫丁香二号”纳卫星又是怎么回事呢?参与了“试验三号”、“快舟一号”、“快舟二号”3颗小卫星研发的李冬柏是紫丁香系列纳卫星的总体技术指导。他表示,“紫丁香二号”是在“紫丁香一号”技术基础上研发的又一颗技术试验纳卫星。为支持我国纳卫星发展,国家于2013年专门立项。在曹喜滨的极力推动下,2014年3月,我校纳卫星研发团队正式提交参与此项目的意向书。对此,学校也是高度重视,再次于财力和物力上给予了及时的支持。

    “紫丁香二号”是哈工大的第五颗卫星,重12公斤,对探索纳卫星在未来航天装备和国民经济建设中的作用具有积极意义。卫星旨在构建飞行软件在轨试验平台,在空间环境中,对FPGA软件的可靠性等进行验证;同时,基于星上电子设备,可以进行全球航班、船舶等状态信息的收集和大型野生动物踪迹跟踪等任务;卫星还携带了一个工业红外相机,可实现对森林火灾、极端天气等造成的地温变化进行成像与监测。另外,卫星作为试验平台,搭载了两组新型超轻高精度敏感器,先期开展在轨测试,确保该产品在后续其它型号的成功实施。在进度安排上,“紫丁香二号”要快于“紫丁香一号”。因此“紫丁香二号”虽然晚出,却在发射上走在了前面。

    “我们团队以卫星技术研究所为技术依托,凝聚了学校航空宇航与科学技术、力学、计算机科学与技术、控制工程、机械工程、通信工程、电气工程、热能工程等8个学科的本科、硕士和博士研究生,是一支学科交叉研制团队。”结构与热控分系统负责人、2014级博士生郭金生性格温润,不急不躁,很有韧性,从硕士阶段就开始参与“紫丁香一号”。他表示,卫星是一项系统工程,单打独斗肯定不行。整个团队“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”,自己能跟大家一起携手并肩、共同奋斗,在卫星上留下努力成果很荣幸。  

在实践中学习,于协作中成长  

    “紫丁香一号”属于立方体卫星(CubeSat)。所谓的立方体卫星是一种采用专用设计标准设计的低成本纳卫星,成本较低,创新思想突出,尤其适合高校自主设计与研制。与传统卫星相比,立方体卫星体积小、重量轻,搭载发射机会多;研制周期短,一般为1至2年,与高校教学安排符合;可快速、机动发射;主要用于航天新概念、新原理、新方法在轨试验验证,可为空间在轨服务提供平台,也可为用户提供各类服务;能单独或组网运行,完成大卫星无法完成的任务。“紫丁香二号”虽然不属于立方体卫星,但是使用了立方体卫星的很多技术,很多工作继承自“紫丁香一号”。两颗卫星的管理与控制由我校地面站自主完成,业余无线电俱乐部的米明恒、张冀鹞、胡超然、吴庭丞等几位同学负责建设。

    “紫丁香系列纳卫星研制意义重大,所涉及到的不仅是科研攻关上的创新,更有教学方法、管理模式、人才培养上的创新。好多人的毕业设计都跟纳卫星的研制有关。”校长助理、航天学院院长曹喜滨介绍说,哈工大是我国最早一批参与航天工程的院校之一,拥有自主研发卫星的丰富经验。纳卫星研制可以为国家培养新一代复合型航天人才、为学校建设世界一流大学做出有益尝试。

    在哈工大,教师能够形成跨学科合作的科研团队,学生也可以——微纳卫星团队就是如此。为了更好地发挥学生的主观能动性,团队根据个人兴趣和专业背景的不同,同时结合卫星的研制需要,将大家编排为不同的小组,包括总体、测控、姿控、电源、星务管理、通信、结构与热控、测试与地面站等。卫星所里曾经参与过小卫星研发的青年教师李冬柏、陈健、邢雷、董立珉、陈雪芹、李化义、李晖等都具有丰富工程经验,他们在团队中担任技术指导,让紫丁香系列纳卫星的研发少走了很多弯路。

    “以学生为主的研制模式给了我们充分的发挥空间,大家自主学习、钻研攻关,激发和锻炼了迎难而上、不怕困难的意志力,而跨学科、跨专业的协作攻关也让我们在一起结下了深厚的友谊。”韦明川如是说。

    2013年俞阳从电气学院考研到卫星技术研究所。在原有的电子学基础上,孙兆伟的现代小卫星系统技术专题,孔宪仁的卫星热控系统设计,耿云海、荆武兴的空间飞行器导航、制导与控制,张世杰的飞行器现代设计方法等课程让他对航天有了系统的认识,而亲身参与到纳卫星研发的具体环节更是让他真正了解了卫星,也得以和大家一起理论联系实际,迅速提高专业技术水平。提及并肩奋斗的战友们,俞阳表示:“这是一支很拼命的队伍,每个人都有每个人的特点和特长。纳卫星项目培养了大家自主学习、钻研、攻关的能力,给予了大家极大的成长空间。现在无论遇到什么情况,每个人都可以很有底气地调整心态、承担风险、解决问题、完成任务。”

    “我们不是演习,是真刀真枪的战斗;不是象征性参与,是全身心去做。无论遇到什么困难,都尽量自己解决,老师踩过的‘坑’我们也不能回避,即便不得已求助老师,有了之前的冥思苦想、反复实践,对专业技术的掌握也更加深入、透彻。”2014级硕士研究生吴凡是姿态控制系统负责人,早在大二时他就选了曹喜滨做本科生导师,并参与到“紫丁香一号”任务中来。“理论上清楚了,有时实践起来还是有很大差别,也多亏了有李冬柏老师的指导。”有一次,吴凡在处理卫星初始入轨的消旋问题上遇到麻烦,无法解决出现的误差。当时李冬柏正在执行“快舟一号”发射任务,接到电话后耐心地做了解答。放下电话后,担心自己没说明白,李冬柏又给吴凡打过去,把认为没讲到的地方再次做了详细补充。

    “每当程序不顺利时就在草稿纸上画几笔,于是我的画技有了许许多多提升的机会。”跟吴凡一起负责姿控的苗悦是位真正的才女——擅长绘画,喜欢古筝,写得一手好文章。心里有个航天梦、喜欢俄罗斯文学、品学兼优的她没有参加高考,2009年被特招到外国语学院学习俄语-飞行器设计与工程,双学位,学制5年。苗悦希望专业学得更扎实,为此她大三时放弃了公费留学俄罗斯的机会,毕业前放弃了俄语保研名额,并决定考研去卫星所继续深造。担心导师以为自己只会俄语不会英语而拒收,她就用英语考的研,考了82分。2014年苗悦如愿以偿考到航天学院,并进入纳卫星团队。

    “郭师兄带着我一起做结构与热控分系统,在他身上我学到了很多东西。”跟郭金生一起负责结构的张天赫对自己的搭档评价很高。的确,郭金生性情温良,做事有韧性,颇有“带头大哥”的风范。紫丁香纳卫星的研发伴他度过了整个硕士研究生阶段。2014年夏天,郭金生跟“长跑”8年的爱人结婚时正赶上任务节点,没休息几天他就又重返“战场”。2014级硕士研究生张天赫开朗善言,跟外单位协调的事情很多时候都由他来做。张天赫家在吉林四平,恋家的他每逢节假日都会回家。自从参与项目之后,张天赫的节假日基本上都献给了卫星。对此,家里人非常支持。一次母亲崴了脚,一个多月行动不便,为了不让儿子担心,好利索之后才在电话中透露出来。

    负责星务软件的夏开心是2014级硕士研究生。他的导师耿云海是历经哈工大4颗小卫星研发的最年轻“元老”,理论基础扎实、工程经验丰富。夏开心在本科时就对硬件和程序特别感兴趣,也做过无人飞行器编队飞行等科技创新项目,毕业设计曾在陈健的指导下完成。参与卫星研制期间,耿云海和陈健给了夏开心很大帮助。从刚开始遇到软件一直跑飞、死机时等问题一筹莫展常常找陈健求助,到现在基本上能独当一面,夏开心在“真刀真枪”的卫星研制过程中迅速成长起来。

    早在大一时,无线电俱乐部成员冯田雨就参与了“紫丁香一号”方案设计,在陈雪芹的指导下,又成为两颗卫星电源分系统的负责人,2014年大四毕业去浙江后,在卫星所继续读研的王骋全面接手后续工作。“冯田雨下班后依然挤时间继续做‘紫丁香’,和大家一样仍然把业余精力全部投入到这项事业。节假日他也经常回来协助我们。”王骋表示,卫星研制过程中遇到了各种各样的难题,无论是技术上还是其它方面,最后能成功很大程度上是团队成员团结一心、协作攻关的功劳。

梦想就像花开

    2014年9月,哈工大与位于烟台的航天科技集团五院513所正式达成协议,为确保卫星研制的可靠性和安全性,紫丁香系列纳卫星的工程实施工作纳入513所的产品质量保障体系,进行专业化管理与控制。其实,从2014年5月,韦明川和邱实就过去初步接洽,随后团队成员都陆续前往烟台展开工作了。这里“严肃认真、周到细致、稳妥可靠、万无一失”的16字方针与哈工大“规格严格,功夫到家”的校训精神异曲同工。在513所,大家很快适应了相关工作。

    紫丁香系列纳卫星的研制与管理方式,是学校以学生学习成效为导向,提高办学质量,增强创造活力,加强学科建设,培养航天专业相关学科高层次人才的又一创新模式。卫星所里具有丰富工程经验的青年教师在团队中担任技术指导的角色,是“紫丁香二号”成功研制的一大助力。尤其是李冬柏和王峰更是出力甚多,他俩也经常往返于烟台和哈尔滨。

    2015年春节将近,李冬柏去烟台看望团队成员,一直待到腊月二十八,才跟韦明川、郭金生等人最后一批“撤离”。初三刚过,团队成员就开始陆续回到烟台,王峰也过来跟大家一起奋斗。正月十五晚上,团队照例集体加班。透过电梯的玻璃,可以看到外面浓浓的节日气氛,烟花正在绽放美丽和喜悦。于是,王峰决定带大家上楼顶看烟花庆祝元宵佳节,看完烟花继续干活抢进度。

    紫丁香系列纳卫星研发的过程由学生自主设计、研制与管控,对他们来说,这是在走一条从来没有走过的路,需要每个人在严谨务实的基础上,必须不断超越自我,激发潜能。团队成员们以兴趣为导向,以任务为目标,互相学习,取长补短,将个人融入集体,将自我的成长和项目的成功紧密结合在一起。进入团队后,苗悦很爱问为什么,有时一直追着问,大家就开玩笑说,每问一个问题,以后我们结婚时,你给的红包就要加300块钱。半夜去实验室的途中曾与韦明川偶遇的俞阳坦言:“参与项目的过程是一次脱胎换骨的经历,没有后路可以退,我们必须前行,解决问题后的豁然开朗真是一种‘酸爽’的感觉!”就是在这种不懈的追求中,整个团队不知不觉都有了长足的进步。

    为了保证研制工作平稳有序进行,团队不定期通过无线电俱乐部,以招新、讲座、培训等形式,在全校低年级学生中选拔具有一定工作能力的学生进行梯度培养。电信学院2012级学生胡超然和计算机学院2013级学生张扬雨就是这样被韦明川“挖”出来的。

    胡超然大一入学后就加入了无线电俱乐部。韦明川让她试着做做“紫丁香一号”的天线。因为表现突出,胡超然也顺理成章地成为“紫丁香二号”天线负责人。“我们的卫星工作频段低,天线体积大,不易放进纳卫星。”胡超然说,难度在于如何在体积与性能之间获得平衡,并满足工艺和结构要求。最后选定的钛镍合金材料加工难度比较大,特别是天线末端类似弹簧的结构更是不同寻常,经过一次又一次的实践,胡超然的展开天线、双圆极化天线终于通过了各项试验考核。

    张扬雨最大的爱好是编程。大一时,在一次小卫星宣讲中,他结识了韦明川。“‘韦老板’还给我们做了系列培训,最后坚持下来没几个人了,但‘韦老板’依然讲得很认真、很起劲儿。”张扬雨说,自己也因此加入了纳卫星研发团队,被韦明川分配任务——“尝试”做一下载荷。张扬雨负责的载荷可以在轨道上收集船舶和飞机定时发送的位置和速度等信息,再传回地面,借以掌握其行踪。载荷上携带的红外相机利用热红外信息,可反演温度、湿度和热惯量等地表参数,实现地物识别、极端天气与森林火灾的监控等,并可全天候工作。

    “我跟大家一样的感觉:终于把学到的理论知识在实践中融会贯通了。”邱实是曹喜滨的学生,2014级硕士研究生。由于本科毕业设计内容和FPGA软件相关,在“紫丁香二号”中,他负责的载荷就是为FPGA软件提供开放的在轨飞行试验环境,测试和考核软件在空间环境中的功能和性能以及单粒子效应对软件的影响等。邱实负责的载荷对提高软件的可靠性和安全性设计具有创新性意义。除了载荷,邱实还负责卫星的太阳帆板,并在团队中协作王峰负责团队的日常生活,帮大家订票,出差与合作单位协调……

    韦明川自己也负责一个载荷——多模式业余转发器基于软件无线电技术,硬件与测控系统共用,具有APRS数据转发器和FM语音转发器两种模式,工作于VHF/UHF业余频段,可为业余无线电爱好者提供通信服务,也能应用于动物保护、海上浮标数据转发等场合。团队里其他学生对韦明川的称呼是“韦老板”。“韦老板”特别渊博、个人魅力十足、有亲和力、能包容,善于将有特长的人聚在一起——这是大家的共识。的确,韦明川脸上总是带着干净的笑容,不骄不躁,不急不缓,一心一意投入到紫丁香系列纳卫星的研制上。白天、甚至到晚上都忙着跟团队一起工作,只有半夜是自己的时间,查资料、读文献,充实提高自己。

    “那充满希望的灿烂岁月,你我为了理想,历尽了艰苦。我们曾经哭泣,也曾共同欢笑。但愿你会记得,永远地记着,我们曾经拥有闪亮的日子……”,随着这个秋天“紫丁香二号”的顺利升空,韦明川的卫星梦已经初步实现。那些和团队成员一起不分黑天白夜奋战的日子,曾经不被人相信可以实现的梦想,通过这个12公斤重的“小家伙”得到了完美的呈现。

    对纳卫星团队的每一个同学来说,做“紫丁香”都是自己学生生涯中最重要最难忘的一段日子。一个又一个春夏,丁香花如约绽放在哈工大的校园,虽然要经历漫长的秋冬季的等待。然而,是花就会开放。如今,秋天开始,韦明川和他的伙伴们依然继续着努力而又平淡的每一天,朝着梦想,永不停歇地飞翔。

  

学生微纳卫星研发团队