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嫦娥五号“探月之眼”背后：国科大追光者的科技强国梦！

大学作者：中国科学院大学 2021-04-08 20:59:33

编者按：2020年12月2日，从遥远的月球那端传来了一张特殊的“工作照”—— 嫦娥五号着陆器和上升器组合体着陆后环拍成像图。拍摄该照片的便是嫦娥五号上搭载的全景相机“探月之眼”，由中国科学院西安光学精密机械研究所（以下简称“西安光机所”）月球与深空探测技术研究室负责研制。团队中，一位年轻人的身影引人注意，他是中国科学院大学（以下简称“国科大”）2018级硕博连读研究生黄帅东。接下来，随国晓薇一起看他“追光、砺光、寻光、聚光”的故事。

成为探月“眼睛”背后的人

时间回到2020年。11月24日4时30分，我国成功发射探月工程嫦娥五号探测器，12月1日探测器成功着陆在月球正面预选着陆区。一张嫦娥五号着陆器和上升器组合体着陆后环拍成像图从太空传回。这张图片的背后，是一双什么样的“眼睛”让世界看到了中国的探月脚步？

嫦娥五号着陆器和上升器组合体着陆后环拍成像图

这双“眼睛”是嫦娥五号上搭载的全景相机，全景相机采用“双目立体视觉”原理，由两个功能、接口、性能完全相同的相机A及相机B组成，两个相机共同安装在转台上。A、B相机相当于人的左右眼睛，相机转台相当于人的脖子，通过转台中心轴的旋转实现水平扫描，横轴的旋转实现俯仰扫描获得周边全景、立体图像。于是，人们能够清晰地看到嫦娥五号着陆月球的图景，这些高清图片更是成为今后科研工作的重要资料。

负责研制这“探月之眼”的团队来自西安光机所月球与深空探测技术研究室，2018级国科大硕博连读研究生黄帅东就是这个团队中的一员。

2020年9月3日，在海南文昌发射场某栋的活动室全体实验队员分批在队旗上签字（左一签字者为黄帅东）

2017年，还在华中科技大学光电信息科学与工程专业读大三的黄帅东将国科大作为自己读研的目标，希望能踏入这个“距离科学最近的地方”，能够参与到国家重大科技攻关项目中。几年前的梦想，后来变为现实。一路走来，在国科大校园中、在西安光机所实验室里，黄帅东在耕耘中体悟着科研带给他的成长。

“追光”，始于鼓起勇气的对话

“拉赫不变量是什么？有哪些意义？”

“简述一下光学系统的相差有哪些，是怎么形成的以及如何分类？”

“你了解国科大吗？你了解西安光机所吗？”

2018年春天，在国科大光学工程专业硕士研究生考研复试的现场，本科生黄帅东接受了西安光机所专家们的考核，对面坐着的面试专家就有他后来的导师杨建峰研究员。杨建峰回忆选定黄帅东作为研究生的情形时表示，“很多学生对国科大、对西安光机所并不是很了解，只是听人家说‘好’，于是报考。但是黄帅东在选择之前进行了详细的调研，他清楚自己兴趣志向在哪，想要通过学习得到什么。现在很多学生都很迷茫，不知道为什么要继续读书，能弄清楚自己究竟想要什么很重要。只有知道目标在哪，才能规划路该如何走。”

杨建峰从嫦娥一号开始，参与了嫦娥系列的每一次任务，自嫦娥三号起担任全景相机主任设计师。导师的成就对于黄帅东来说光芒耀眼，也照亮了前进的方向。追随导师的步伐，黄帅东的博士研究课题来源于嫦娥七号任务。如今导师让他先通过参加嫦娥五号的全景相机发射场测试工作、全景相机状态确认与报告的撰写工作，更直观更深入地了解嫦娥任务。在发射场测试、演练工作中，黄帅东主要测试有效载荷中的“全景相机单机”软件能否正常运行以及硬件是否处于正常状态，并且进行拍照与摄像测试，看是否能按要求进行拍照与摄像，以及判断成像质量是否满足要求。最终判断能否顺利按要求完成此次的任务。

杨建峰

“从最终的结果来看，这次任务非常成功。”说起嫦娥五号项目，黄帅东话语中透出满溢的自豪。“之前苏联的月球取样任务采取的是‘探测器直接从月表起飞返回’模式，这种模式返回需要携带大量的燃料，这样一来大大减少了样本携带量，因此苏联成功取样返回的三次任务一共才获得了300多克样品。而我国这次采取的是‘空中快递’的模式，仅一次任务就获得了约2000克的样品返回。效率是苏联的20倍！”

光鲜亮丽的重大科研项目突破背后是国家科技发展刻不容缓的脚步。在用于深空探测的成像光学系统领域，我国在2014年以前用的是黑白成像光学系统，那时还只能收集到月球表面的灰度数据。

光学实验室

“嫦娥一号人造卫星总质量为2350千克左右，嫦娥三号增加至3780千克，而此次嫦娥五号多达8200千克。保障携带更多的有效载荷实现科学任务，则需要更强的火箭运力，同时对全景相机技术接连也提出更为迫切的需求清单。”

“嫦娥五号的突破简单来说，在于完成了探月工程‘绕’、‘落’、‘回’三步走战略的第三步。而这次搭载的全景相机所要面对的是更加恶劣的‘月昼正午’高温工作环境和更加严格的设备重量要求。”黄帅东解释道。为解决这两个难点，嫦娥五号全景相机的散热面积比嫦娥三号增加了一倍，并且对材料以及结构进行了相应的优化，在保证全部性能指标的同时经过了验收级环境试验的考核。

3D打印部件

“砺光”，成为精益求精的人

天下大事必作于细。参与项目的过程中，最让黄帅东印象深刻的事，不是“大困难”和“大创新”，而是一个错别字的故事。那是黄帅东第一次参加报告评审，杨孟飞院士发现了一张手写表格扫描件中的一个错别字。那张表格在整个报告之中是非常小的一部分，表格是手写的，字也非常多，里面有一个错别字很难被察觉。“这种对科学的严谨态度和踏实细心让我十分震撼。”黄帅东说。

经历了那次震撼，黄帅东再写报告都会读五遍以上，“每一张图片，每一个表头都会仔细检查，养成了更严谨的习惯。”尽管嫦娥五号相机设备在历代嫦娥型号的基础上进行了优化设计，从研发到最后出场的过程中也经历了无数次验证与实验。但在发射场测试时，他心里依旧不踏实：“尽管已经通过了各项极端环境测试，但不怕一万就怕万一，生怕在转运过程中出了什么岔子。”

科研路没有终点和尽头。在漫长的重复中，精益求精地磨砺“探月之眼”，也是在酿造一份科研人心底的专属成就感。“我们每天早上八点半到办公室，九点至十二点在光学实验室做实验。下午两点半至五点半继续做实验。晚上七点在办公室看文献，九点或十点回宿舍洗漱休息。这是黄帅东计划的时间表，但是遇到新想法没验证完，休息就自然往后顺延。“只有当时阶段的实验做完了才能吃得安心睡得香。”

黄帅东坦言，西安光机所这种科研实践与学习沉淀相结合的模式是他认为最科学最高效的学习方式。“若仅仅学习沉淀，不科研实践，那么一切都是纸上谈兵，在实践的过程中会发现很多意想不到的问题与未曾预想到的现象。若仅仅科研实践，不学习沉淀，则相当于闭门造车，很难有大的进展，可谓是事倍功半。”

黄帅东在进行原理样机相关验证性试验中的调试

“寻光”，厚积薄发才是答案

“本科的学习是比较繁杂和宽泛的，光、机、电、算都有接触，目的是寻找自己所感兴趣的大方向。在选择了光学工程专业后进入西安光机所进行更深入的学习研究。”黄帅东在导师杨建峰的指导下，反复探索明确自己的研究方向，并最终确定以嫦娥七号对月壤成分进行原位探测相关方案为研究目标作为博士主要课题。

来到西安光机所月球与深空探测技术研究室后，杨建峰给了黄帅东接触各个项目、各个研究方向的机会，包括ASO-S FMG（全日面太阳矢量磁像仪）任务、天问一号火星探测任务、嫦娥五号任务、嫦娥七号任务等项目。在导师和薛彬老师的悉心指导下，黄帅东参与各个项目的深度和广度步步深入。

摸寻方向的一程山路，是看见更美光景的前奏曲。在一次汇报中，杨孟飞院士提问黄帅东，“全景相机参数测量的电压为什么比规定电压要高一点。”

“因为测量点与相机之间有一段导线，这段导线会产生压降，所以导致读出数值较高。实际加在相机上的电压是标准的。”

“那这段导线有多长，会产生多少压降？”杨孟飞继续追问。

黄帅东回答了一个大概数值，但显然没让杨院士满意。科学家的“严谨”又给黄帅东上了一课。而这些也让黄帅东意识到自己的不足：“从前自以为的严谨不够严谨，过往对自己的严格也不能称为严格。”参加嫦娥五号项目，也让黄帅东对重大项目的统筹管理模式有了更为深刻的认知，了解了不同载荷部分的工作以及如何互相协同，知道了需要多强的能力才能承担起最高水平项目的重任。

经历永远是收获成长的取之不竭的富矿。“如果三年前没有选择国科大，没有选择西安光机所，将很难收获此番参与国家重大项目实践的科研经历，也很难体认和收获此番成长。”

“聚光”，回首来时路

“感觉自己犹如逃脱的笼中之鸟，跳出的井底之蛙一般，看见了更为广阔的天地，想要更贪婪地学习。”黄帅东说。2020年末，嫦娥五号项目圆满完成，黄帅东在内的西安光机所月球与深空探测团队再次交上答卷，距离曾经独自面对导师面试考核已过去了近3年。

黄帅东犹记得团队有一次为进一步压缩载荷质量绞尽脑汁对结构进行少许修改，虽然变化不大，但全新的结构能否拥有原来型号的抗震强度，大幅度的温度变化是否会产生问题，没人敢打包票。团队成员对此都心存顾虑时，导师杨建峰为大家指出一个方向：“把环境适应性实验再做一遍。”在没空调没暖气高噪音的车间内，大家24小时轮班守了一个多月，最后证明新的结构是没有问题的。正是因为大家的精益求精、团结协作才使项目载荷得以进一步优化。

在攻关期间的许多夜晚，月球与深空探测技术研究室团队不间断根据数据测试、实验，再求证和打磨……成员们瞄准深空天文应用领域，以深空探测、月球探测后期、载人登月以及空间科学先导专项为主要需求方向，在不断提升空间相机的成像质量与功能的赛道上驰骋，结合研究所光子信息的获取传输及处理技术优势，以轻小型弱目标光学探测与传输技术为主线，开展理论创新和集成创新研究工作，如今更是已着手将成像与被成像物体的物质成分分析或场的探测相结合，实现在得到物体清晰照片的同时分析出该物体的相关特性的“双赢”效果，希望借此提高深空探测的效率、可视性与可靠性。

杨建峰的团队在月球与深空探测领域耕耘多年，培养了一批光学系统设计、深空探测等方向的优秀研究生，“聚是一团火，散是满天星。”他们中多人已成长为该领域的核心骨干。作为团队的一员，黄帅东对自己未来的描绘简单却清晰：“用自己所学向世界展现中国科技实力尽自己的一份力。”