十年前的秋天，俄罗斯“福布斯—土壤”火星探测器发射失败，随之失联的，还有搭载于其上的中国火星探测计划第一颗探测器——“萤火一号”。
“很难过。”和所有参与“萤火一号”载荷研制的科研人员一样，中科院国家空间科学中心研究员张爱兵心里不甘却又无奈。“萤火一号”上的等离子体探测包，就由他们团队研制。
2015年9月，这支团队重整旗鼓，承担起中国第一次自主火星探测任务“天问一号”的载荷任务，负责研制火星离子与中性粒子分析仪。
前不久，“天问一号”成功传回高清火星照让大家兴奋不已。据悉，经风险评估后，“天问一号”将在5月到6月择机着陆火星，进行巡视探测。
起点：“你们太有野心了”
“天问一号”之所以要搭载这个载荷，为的是通过测量火星空间环境中的离子和中性粒子这两种物质，回答太阳风与火星之间是怎么相互作用的、火星大气逃逸机制是什么样的。同时，通过太阳风离子探测，研究太阳风在行星际的传播特性。
由于离子带电，中性粒子不带电，科学家测量它们时通常会使用两台仪器。但对于要向火星远航的“天问一号”来说，探测器上的每一寸面积都倍加珍贵，每一克负重都尤为关键。张爱兵想：有没有可能合二为一？
“如果做成两台仪器，当然会容易些，但重量肯定就超了。所以，我们要设计一个全新的方案。”张爱兵说。
就在他们讨论设计思路时，恰好来访的德国马普研究所高级研究员、粒子探测载荷研制专家Berndt Klecker得知了他们的想法。“你们这个想法太有野心了。”面对雄心勃勃的中国同行，Klecker直言。
Klecker的话不是没有道理，但这支曾参与过“嫦娥一号”“嫦娥二号”“萤火一号”、风云卫星类似载荷项目的团队对自己有信心。
2015年9月，带着“二合一”的方案，张爱兵参加了“天问一号”的载荷遴选答辩。经过激烈角逐，方案获得评审专家青睐。
遴选胜出后，张爱兵和团队成员孔令高、郑香脂足足兴奋了一整晚，他们曾经一起参与“萤火一号”项目，又一起经历了失败的伤痛，现在，是重整旗鼓、再度出征的时候了。
研制：“扑面而来的压力”
喜悦和兴奋只停留了一晚。“紧随的是扑面而来的压力。”郑香脂回忆。
“二合一”的方案前所未有，实现难度可想而知。
对于负责传感器设计的孔令高来说，难度在于设计“开关”和“通道”。“我们要设计两个开关和两个通道，在1秒钟里，前半秒要把离子的通道打开，中性粒子的通道关闭，测量离子；后半秒要把中性粒子的通道打开，离子的通道关闭。而且还要让它们最大限度共用一部分通道，从而实现小型化。这是以前从没做过的。”
对于负责软件设计的郑香脂来说，难度也是以往项目难以比拟的：“我们提出了10种探测模式，每种模式涉及参数非常多。同时，由于火星离地球太远，数据上传下达时有较大限制。一方面，地球指令发出后，卫星反应所需时间长，因此，我们要让仪器尽可能智能化，不借助地面干预，随机应变；另一方面，传回的数据量有限，我们要保证传回的有用信息不损失。”
对于负责电子学设计的团队成员田峥来说，挑战同样大。“为了既减少电荷灵敏放大器的使用，又保证测量精度，我们用4片芯片替代了原来需要的32片芯片。为了把前端的传感器做到小型化，我们对后端的电子学高压提出了苛刻的要求，设备电子学内部最高输出电压高达15000伏，这在我们以往的载荷中不曾有过。”
波折：“心一直是起起落落”
“新技术从不成熟到成熟，不是一帆风顺的。”田峥说。
团队的核心成员有十多名，都正值三四十岁的科研盛产期，也都是经验丰富的“老手”。即便如此，他们还是经历了大大小小的波折。
2017年10月，载荷的原理样机研制完成，没想到，做测试时样机测不到任何有效数据。原理似乎没走通，一切可能都要推倒重来。团队成员一个个焦头烂额。“哪怕是测到的数值不准确，也比什么都测不到要好，至少我们能知道排查哪方面的问题。”孔令高说。无奈之下，他们只能没日没夜地排查每一个环节。幸运的是，一周后，问题找到了，进度很快赶了上来。
“整个研制过程中，大家的心一直是起起落落。”郑香脂感慨。
老天时不时会跟他们开个玩笑。2019年初，载荷任务只差临门一脚——做标定，揪心的事又出现了。
对于卫星载荷来说，地面标定工作非常重要，没有经过标定的探测器，就像是没有校准的秤，无法判断探测到的数值是否准确。由于国内没有中性粒子标定设备，载荷正样做出来之后，团队成员带着它前往瑞士伯尔尼大学。
标定时，载荷被放在一个可以产生中性粒子的“大罐子”里，团队成员通过电脑屏幕监测载荷的工作状态。很快他们发现，氧原子的探测数值跟“罐子”里实际给的量不一致。
气氛瞬间紧张起来。参数不对，说明仪器可能存在缺陷、需要返修，而时间已经不多了。如果赶不上卫星进度，会有两个后果，一是载荷要被放弃，二是探测计划要整体后延……来不及再往下想，张爱兵和团队成员抓紧时间讨论。可是，大家怎么都找不到问题根源。于是，他们又去跟定标工作人员沟通，反复几次，最终才发现，原来是工作人员向“大罐子”注入粒子源时，将氧原子误操作成了氧分子。
直到2020年10月31日火星离子与中性粒子分析仪正常开机探测，看着弯弯曲曲的数据曲线一点点从遥远的太空传回地面，大家起伏不定的心才彻底放下。
收获：“你们用几年走了我们10年才能走完的路”
“现在仪器工作非常正常，传回的数据非常不错。”张爱兵难掩兴奋。
看到中国同行在该类载荷技术方面的巨大进步，瑞典空间物理研究所所长Stas Barabash惊叹：“你们用几年走了我们10年才能走完的路。”
曾认为中国同行“有野心”的Klecker不仅为这支团队感到高兴，还有意愿参与之后的数据研究工作。
回顾这些年走过的路，大家不约而同地用一个词道出他们成功的秘诀——团队协作。这个词的背后，是团队成员一起熬过的一个个深夜，是项目遇到困难时彼此间的鼓劲和安慰，是大家为了攻克难题而一起度过的每一个节假日，是家人对他们的每一分支持。
搭载着“天问一号”，载荷团队的青春在遥远的火星绽放。
《中国科学报》 (2021-03-24 第1版 要闻)
