2020年12月17日 ， 嫦娥五号在月亮之上采集月壤并成功返回地球 ， 举世瞩目 。
作为嫦娥五号“落月采样”之旅的核心步骤 ， 月壤采样与封装是嫦娥五号的核心环节之一 。 钻取、采样、封装 ， 19小时的月面工作 ， 先“挖土” ， 后“打包” ， 整个过程有多难？“挖土”的采样封装控制器是如何收放自如完成此次采样工作的？
九天云外揽月回的背后 ， 是无数航天人的努力与付出 ， 这其中就有西北工业大学电子信息学院、无人系统技术研究院张洵颖研究员团队的贡献 。 在团队的实验室内 ， 采访人员看到了采样封装控制器的“大脑”——一种抗辐射宇航系统芯片 。
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十年磨出“中国芯”为“挖土”装置装上大脑
2010年底 ， 张洵颖带领团队承担了“探月工程三期”关键技术攻关任务 ， 负责研制一款高功能集成度、高性能并且能够满足深空辐射环境下可靠性要求的系统芯片 ， 也就是采样封装控制器的“大脑” 。
“直观来讲 ， 如果电子系统中的核心关键处理器也就是‘大脑’出了问题 ， 那么电子系统将无法执行预设的功能 。 大脑发出准确的指令 ， 才能够保证所有执行机构正常进行月壤采样封装工作 。 ”
作为嫦娥五号探测任务的核心关键之一 ， 月球表面自动采样与封装是任务中最引人注目的一个环节 。 月面采样封装任务采用表钻结合、多点采样的方式 ， 采样装置为全新研制 ， 技术新、难度大 。
“我们需要考虑飞行任务的空间环境条件 ， 探测器的测控、电源、热控等各种约束 。 ”如何在极度复杂的空间环境里保证采样封装控制器的功能安全性、高处理性能、低功耗和高功能集成度 ， 是团队面临的最大难题 。
要想“大脑”带动采样封装控制器正常运转 ， 就要解决航天芯片抗辐射的问题 。 而高质量等级的抗辐射系统芯片 ， 从来都是发达国家的“禁运品” 。 2011年 ， 张洵颖团队提出了面向航天自主处理器的层次化容错方法和实现结构 ， 研制出了高性能、高功能集成度、高抗辐射指标的卫星平台系统用抗辐射系统芯片 。
2012年年初 ， 芯片的设计和制造完成 。 此后 ， 团队奔波于北京、兰州、广州等地 ， 历时两年完成了芯片可靠性、辐射效应摸底试验和考核试验 ， 这款具有完全自主知识产权、获授权发明专利23项的宇航抗辐射系统芯片 ， 终于成功进入宇航型号电子系统领域进行应用 。
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2015年 ， 该系统芯片进行在轨应用验证 ， 经过一年的持续在轨运行测试 ， 各项功能、性能均得到了考验 。 此后 ， 便开始了在宇航卫星型号星务电子系统的大量应用 ， 在嫦娥五号发射之前 ， 已经作为多颗卫星型号的星务处理器发射入轨 。
同年 ， 被业内评价为“目前国内功能集成度和运算速度最高的抗辐射SoC产品” 。
“采样——转移——返回 ， 整个过程必须分毫不差、天衣无缝 ， 任何一个环节控制不精细 ， 都将影响任务的完成 。 只有完备地试验验证 ， 才能在实际应用中确保万无一失 。 ”
“回头来看 ， 历时近10年 ， 而这仅仅是系统中的一颗芯片 ， 探月工程涉及的航天技术的广度和复杂度可见一斑 ， 也只有新型举国体制的大协同才能取得这样的成功！”张洵颖动情地说 。
“搞科研也需要理想主义”
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“立足于专业知识 ， 我能做什么？应该做什么？”世纪之交 ， 正在攻读本科的张洵颖时常问自己这样一个问题 。
“当时 ， 我们国家的航天事业处在发展的关键节点上 ， 把热爱用到能够服务国家重大战略需求和科技进步的事业中去 ， 是我们对于自身所学最好的安排 。 ”张洵颖笑称自己是个理想主义者 ， 并且会将这个信念贯彻到底 。
“我是飞行器设计专业的学生 ， 求学期间由于专业课程体系调整 ， 全面学习了力学、电子系统等各个学科的专业知识 ， 最后将自己的专业发展锁定在了电子系统领域 。 ”
2009年 ， 张洵颖博士毕业后进入中国航天科技集团九院某所 ， 负责处理器与系统芯片技术 。 期间承担了多项高可靠处理器与系统芯片设计技术研究和产品研制工作 。
2012年、2017年被聘为西安微电子技术研究所计算机系统结构专业硕士生、博士生导师 ， 并协助自己的导师——中国科学院院士沈绪榜培养博士生 ， “芯片和学生都是我的初心 ， 年轻一代对航天的执着和向往让我很受触动 ， 从他们身上我仿佛看到了当年的自己 ， 那么我能为指引学生找到自己的热爱做些什么呢？”
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苍穹大业惟有赤子之心 ， 2017年 ， 张洵颖加入西北工业大学 ， 承担面向高年级本科生的科学素养课程——无人系统智能 APU设计 ， 并担任智能无人系统科学与技术交叉学科硕士、博士生导师 ， 完成了从总师到老师的角色转换 。
他从不错过任何一个带学生进行外场试验的机会 ， 还经常利用“身份之便”为同学们“开小灶”把课堂搬到试验场 ， “任何一项大国工程的成功都是实干出来的 ， 学生只有经历了风吹日晒 ， 流汗、甚至流泪才会懂得他为之奋斗的事业是值得的 。 ”
“张老师非常重视对知识体系框架和科研逻辑思维的建立 ， 他常要求我们在进行科研时不断地凝练、优化自己的科研逻辑思维 ， 建立属于个人的方法论；树立对于理论知识的深刻认知 ， 并能将其与实践统一起来 。 ”在无人系统技术研究院2020级硕士生杨帆眼中 ， 张洵颖老师的倾囊相授是让年轻航天学子终生受益的教诲 。
“张老师乐于分享他的人生 ， 并且鼓励我们保持对科研、对生活的持续激情和热爱 。 ”学生许培媛如是说 。
“从科研和教学中体会到的精神满足感是任何事情都无法代替的 ， 我们站在老前辈的肩膀上才有了一点点成绩 ， 如今我能够推年轻人一把帮他们看到进步和未来这就够了 。 ”之于学生 ， 理想主义的张洵颖亦师亦友亦兄长 。
“西工大满足了我从应用系统出发做芯片的追求”
“得益于学校充分的学科和平台支撑 ， 我们团队从应用系统出发、再支撑应用系统的芯片技术科研思想得到了满足 。 ”
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新一代航天任务对于电子系统提出了高性能、集成化、长寿命、低功耗的应用需求 ， 传统器件实现的功能单机在性能、物理尺寸、功耗、使用寿命等方面均难以满足应用需求 。 只有应用系统与基础支撑技术的紧耦合才能在相对落后的芯片技术基础上盛开出满足应用需求的“技术之花” 。
张洵颖团队依托学校科研平台 ， 从航天电子系统的功能、性能、可靠性、功耗需求出发 ， 突破了多项关键技术 ， 成功研制了多款领域化系统芯片 ， 并在“探月工程”等多颗卫星上得到应用 。
立足于学校在无人系统科学与技术领域的学科规划 ， 张洵颖的研究方向聚焦于无人系统智能系统芯片技术 。 依托个人长期的行业从业经历 ，以各级各类项目为牵引 ， 在学校专项资金的支持下 ， 已经建立了面向纳米工艺的高可靠异构多核智能系统芯片设计技术平台 ， 从科研条件、科研经费、技术研究先进性等各个方面支撑研究生的培养工作 。
“从'上天'到'落地' ， 为何选择西工大？”
“系统芯片设计需要依托众多技术学科领域的交叉融合 ， 依托在三航领域的积累 ， 西工大具有独一无二的优势 ， 为我们的芯片研发提供了更广阔的需求空间和更直接的应用平台 。 ”张洵颖直言不讳 。
所谓壮举 ， 皆因奋斗 。 张洵颖坚信 ， 伟大事业都始于梦想、基于创新、成于实干 ， “一代人有一代人的理想主义和时代担当 ， 从前我希望更多的参与到大国重器的研发工作中去 ， 现在更大的理想主义是希望我的学生能够怀揣航天梦走得更远 。 ”
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【功能|十年！西北工业大学张洵颖团队为登月“挖土”装置装上“中国芯”】一代代航天人自强不息 ， 接续奋斗 ， 走出了一条中国特色自主创新的航天发展道路 。 西北工业大学也必将“扬帆起航 逐梦九天” ， 在新时代再启新征程 ， 为航天强国建设贡献更多智慧和力量！
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