指揮「好奇號」登陸的華裔明星陳友倫

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風流知音【科普之聲】指揮「好奇號」登陸的華裔明星陳友倫 CFDSA(2017)1007

作者簡介

蔣迅, 本科和碩士畢業於北京師範大學，在美國馬里蘭大學獲得博士學位。目前在美國從事科學計算工作。

陳友倫 (Allen Chen)

來源：深空網)

美國西部時間2012年8月5日夜裡10點半（北京8月6日中午1點半），美國航天局的「好奇號」火星車（MSL）經歷了驚心動魄的七分鐘後成功登陸火星：「著陸確認」(Touchdown confirmed)。在NASA 噴射推進實驗室 (JPL) 指揮室里，所有關心這一人類航天史上重大事件的人都注意到了，宣布這一消息的是一位黑頭髮的亞裔年輕人。他就是華裔陳友倫（Allen Chen）。在整個過程中，陳友倫一直是沉著鎮定，清楚地向大家報告著每一分每一秒的情況。讓我們來重溫一下他在「好奇號」進入火星大氣層後的一段記錄：

「好奇號」的關健七分鐘

Vehicle reports entry interface.

At this time it will begin pressurizing the propulsion system to increase the thrust of the system.

We are standing by for guidance start and the start of guided entry.

We are beginning to feel the atmosphere as we go in here.

The vehicle has just reported via tones that it has started guided entry.

At this time, the vehicle is beginning to steer its way to the target.

It s starting its first bank reversal.

We have seen peak deceleration.

We ve passed through peak heating and peak deceleration.

It is reporting we are seeing Gs on the order of 11 to 12 Earth Gs.

Stand by for parachute deploy.

Parachute deploy.

Thrusters have been re-enabled.

We will control attitude on chute.

We are decelerating, about 10 kilometers and descending.

We are at 150 meters per second.

We are nine kilometers and descending.

We have acquired the ground with the radar.

Heat shield has separated.

We have found the ground.

We re standing by to prime the MLE engines in preparation for powered flight.

We re down to 90 meters per second at an altitude of 6.9 kilometers and descending.

We re down to 86 meters per second (192 mph) at an altitude of four kilometers and descending.

We have lost tones from Earth at this time, this is expected.

We re continuing on Odyssey telemetry.

Standing by for backshell separation.

We are in powered flight.

We re at an altitude of one kilometer and descending about 70 meters per second.

Down to 50 meters per second.

500 meters in altitude, standing by for sky crane.

We found a nice flat place.

We re coming in ready for sky crane.

Down to 10 meters per second, 40 meters altitude.

Sky crane has started.

Descending at about point 75 meters per second (1.7 mph) as expected.

Expecting bridle cut shortly.

Touchdown confirmed. We re safe on Mars!

隨著「好奇號」的成功落地，陳友倫也讓全世界認識了他。特別是上面最後一句話：「Touchdown confirmed. We re safe on Mars!」更是為人傳頌，同時人們也更想知道他的傳奇人生。

陳友倫與父母

陳友倫的英文名字是「Allen」。因為這個原因，有些人把他稱為陳艾倫，我也是費了一番功夫才找到他的中文名字。在此之前還把他的名字和也在JPL的另一位華裔陳哲輝 (George Chen) 搞混。陳友倫出生在美國。他的少年時代是在賓州度過的。陳友倫的父親陳甫和母親李敏敏都是來自台灣的留美科學家，舅舅李世昌是知名的中央研究院院士，普林斯頓大學物理博士。李世昌和荊溪暠共同成功研製科學實驗設備阿爾法磁譜儀AMS-02中的電子系統被用在了國際太空站上。所以陳友倫在這個科學世家裡，從小就接受了科學的熏陶。特別是，他在小學時就對太空的奇妙而感興趣。更可貴的是，在高中的時候他就領悟到，「有的人工作是為了掙錢，而另外一些人則是在做與探索相關的事情。」他暗自想像著，自己就是要去一個純粹與探索有關的的地方。那時候他對NASA噴射推進實驗室(JPL) 還不了解，對未來也沒有一個很清晰的目標，但他少年時的父母的熏陶為他最後到JPL奠定了方向。

他所上的高中「勞倫斯威爾高中」(Lawrenceville School) 就在鄰州新澤西州內普林斯頓大學的旁邊，而且在全美國名列前茅。在學校里，他並不是一個只讀書的學生。雖然他個子不高，但是卻喜歡打美式足球，不畏懼高壯球員的衝撞，可以看出他的頑強個性。1996年，一路成績優異的他順利考取麻省理工學院 (MIT) 的工學院。在那裡，他選擇了成為一名機械工程師，因為他發現自己更適合做動手的事情而不是去思考宇宙的奧秘。他的技能很快就得到了航空航天系教授大衛·米勒（David Miller）的賞識。在大四的時候，陳友倫選修了一門米勒的課。這是一門歷時兩個學期並要求學生們合作設計產品的課程。他們要設計的是一個將要送往國際空間站的小型衛星「SPHERES」(Synchronized Position Hold Engage Reorient Experimental Satellites)。遇到困難時，同學們總是讓他代表小組出面與米勒教授討論課題的難點。米勒教授回憶到，「陳友倫一點都不害羞，非常專註，並且有決心解決任何問題。」他們的設計原型特別優秀，最終被開發成了一個正在國際空間站上使用的複雜的試驗儀器。2000年，陳友倫獲得學士學位，接著在米勒教授的指導下攻讀了碩士學位。期間，他兼做研究助理，參與在「SPHERES」基礎上的研究。2002年碩士畢業後，他順利進入JPL工作。

開始工作之後，他仍牢記父母的教誨：「教育是沒有止境的。你總是希望學到儘可能多的知識，並不因為你走出來教室而停止。」他記得父母甚至在自己已經上了高中的時候還獲得了新的學位。因此，他在JPL 工作的同時還在加州大學洛杉磯分校繼續攻讀MBA並於2007年獲得了學位證書。理論上的管理知識提高了他後來指揮火星登陸小組的管理技能。

陳友倫參與向美國民眾宣傳「好奇號」

來源：Allen Chen

雖然陳友倫是2002年才正式加入JPL的，他到JPL的時間其實從他在MIT讀書時就開始了。比如，他參與了JPL的「星光任務」（StarLight Mission）中的光控工程部分。在火星探索的項目中，陳友倫參與了2001年的「2001火星奧德賽號」(2001 Mars Odyssey)、「火星探測漫遊者」(Mars Exploration Rover)、「火星勘測軌道飛行器」(Mars Reconnaissance Orbiter) 等項目。他在這些項目中，涉獵了探測器落地過程的方方面面，為他以後擔當指揮重任積累了實戰經驗。

陳友倫和他的寶貝「好奇號」

「火星探測漫遊者」的兩台火星車成功之後，陳友倫出任「好奇號」飛行動力和操作首席 (MSL Flight Dynamics and Operations Lead)，負責總協調自控、降落傘、太空吊車、軌道、推力、軟體、防熱、攝像等多個小組。他從一開始的只有十幾人在內的項目籌劃就開始參與，到開發高潮期間的上千人，一直到最後指揮「好奇號」在火星落地。最後的進入、降落、落地過程只有七分鐘。而他為了這七分鐘竟等待了十年。

讓我們來看看他這十年是怎麼度過的。不過下面我必須把他和他的同事一起來寫，因為我很難說清哪樣事情是他做的，哪樣不是他做的。

設計工作一開始可以說是一張白紙，沒有任何部分是所謂的關健部分。雖然美國人在火星探索中已經積累了成功與失敗的例子，但「好奇號」畢竟是最大、最重、落地點要求最精的火星車。他們的最原始的目標就是把各種想法放到桌面上，不管這些想法有多麼瘋狂不切實際。陳友倫說：「我們把想法都放到一張白紙上。你不能說誰的想法是錯誤的，而是說怎樣能讓它更好。」然後，他們選出最好的方案，再

對最好的方案繼續更嚴格的分析審核。「審核過程從一個非常開放的，非定量的出發點開始，在設計過程中我們進一步得到更詳細的東西。」

他們認為，不能因為過去都是按一定的思路進行的，就認為那個思路是最好的。他們願意廣泛撒網去嘗試其他的思路。

最好的一個例子就是登陸過程中的太空起重機。大家都看到了太空起重機是如何通過系鏈把火星車慢慢降落到了火星表面上的。這個想法來自於直升飛機的天空起重機。陳友倫的團隊邀請了一位天空起重機直升飛機的駕駛員到JPL，告訴他們在使用天空起重機中遇到的問題。特別是當搭載物比直升飛機還要重時會出現什麼情況。而在這個系統里的反向火箭則是一個早就使用過的技術。所以這是一個新老技術的巧妙結合。

第二個例子是火星車的球面運動跟蹤儀。這個儀器來自電影拍攝技術和動漫動作捕捉。感測器反饋到計算機從而跟蹤物體運動的技術現在被用來測量火星車移動的速度。其他人已經在相似的問題中找到了很好的解決辦法。JPL 的技術人員就創造性地利用這些解決方案，從而最大限度地降低了成本，又解決了自己的困難。

一個重大的難題是探測車的防熱外層，原本他們想使用過去「火星探測漫遊者」或是「海盜號探測車」所用的材質，但是因為「好奇號」大得多，這種材質不適用，所以他們必須選出新的防熱材質。正好NASA阿姆斯研究中心開發了一種全新的防熱材質PICA，而且在返回地球的「星塵號」（Stardust）中成功使用 (關於PICA，我在前面的一篇博文里有過介紹，請讀：「從越南船民到國際一流航天工程設計師 ─ 陳惠女士」)。「好奇號」讓PICA再一次證明了它的實力。令人驚嘆的是，他們的火星降落成像儀（MARDI）拍攝了防熱板分離的系列圖片(請見我的博文「「好奇號」防熱板分離過程」)。

陳友倫說，過去十年的任務是確保「好奇號」的「進入、下降與著陸」順利。當初就是希望「好奇號」能在預定好的研究地區著陸，以便利用車上裝備進行科學研究。他表示，這一路走來，不但探測車的構造改變過，整個計劃也多次調整。他形容最終完成的「好奇號」長相「瘋狂」，但我不這麼看，因為我看起來她來覺得她挺可愛的，完全符合一個外星人的長相，算是外星人里的美少女吧。

可能有人會說，在那最後驚險的七分鐘里，陳友倫並沒有在指揮「好奇號」，因為在降落的整個過程中，「好奇號」都是自己在執行預先編好的程序。這話沒錯。陳友倫需要做的就是在好奇號還在地球上就把她該做的事情布置好。除了各種感測器外，光是她的程序就包含了250萬行C代碼。作為「好奇號」飛行動力和操作首席 (MSL Flight Dynamics and Operations Lead)，他必須對整個「進入、下降與著陸」的所有細節都非常熟悉。這個任務非同小可。就是在「好奇號」飛象火星的路上，他們也不能閑著，而是要隨時監視她的飛行路線並即使發出指令做必要的調整。這樣的調整指令是在「好奇號」進入火星大氣層前一瞬間才結束。

由於電子信號從火星傳到地球須要15分鐘，所以當JPL得到「好奇號」在最後的「進入、下降與著陸」最後信號時，一切都已經結束了。但是陳友倫他們已經為了這個時刻拼了十年了。「好奇號」就是他們的小嬰兒，他們必須在第一時間知道她的情況。為了保持他們與「好奇號」的聯繫，他們採用了四個聯繫方式。

首先是「好奇號」與地球的直接聯繫。「好奇號」的後殼上安裝了低增益天線 (Low Gain Antennas)，專門用於「進入、下降與著陸」節段的信號用X-波段頻率傳送。在地面上則通過NASA的深空網路來接收。這樣做的好處是直接快潔，壞處是它只能傳遞MFSK信號，只有256個不同的聲調，就像用於心藏監視的ＢＢ聲。當然這不是有真正科學意義的數據傳遞，而只是在「進入、下降與著陸」過程中提供及時的信息。他們把「好奇號」在「進入、下降與著陸」過程中的每一個可能的狀態對應於這256種聲調，而陳友倫就是通過這些聲調來報告「好奇號」。所以他必須熟記這256種信號分別意味著什麼狀態並要立即用英語報告出來。實際收到了67個ＢＢ聲。

在降落傘的幫助下徐徐下降的「好奇號」

NASA

後殼即將分離時，低增益天線通訊中斷。不過，「好奇號」還安裝有UHF信號發射器，可以每秒傳送8kb的數據。這個數量足可以讓他們在萬一失敗的時候分析失敗的原因。UHF信號由「好奇號」發到正好飛過上空的「火星奧德賽號」，再由「火星奧德賽號」傳回地球。這是JPL安排的第二個通訊方法。「火星奧德賽號」總公有12分鐘的覆蓋時間。第三和第四通訊方法是通過「火星勘測軌道飛行器」和歐洲航天局的「火星快車號」。為了好奇號的安全降落，NASA早就調整了這三顆環繞火星的衛星，使它們都在同一個時刻飛越指定的區域。最後確認「好奇號」成功落地的信號就是由「火星奧德賽號」傳回地球的。

讓我們舉一個例子看他們調動衛星多麼準確。大家都見到了「好奇號」在降落傘打開後下降時的照片。這張照片是從「火星勘測軌道飛行器」上的相機在好奇號進入大氣層6分鐘後拍攝的。但是他們早在三四月份就已經在計劃這個環節了。最後的指令是在「好奇號」著陸前兩天時才送到「火星勘測軌道飛行器」上。可以想像，他們需要精確地計算好奇號在降落傘之下的時間和地點，然後把火星勘測軌道飛行器在同一時間調動到那裡，把鏡頭的角度調整到預先計算的角度上，而這一切都是事先安排好的。這要多麼的準確啊！事實上，經歷了570,000,000公里的飛行後，「好奇號」最後著陸點距離預訂的目標只有約1.5公里的誤差。他們在好奇號離火星還有2百萬公里的時候預測了她進入大氣層的位置。而實際進入大氣層的地點距離預測只有250米。這就是為什麼他們能如此準確地拍攝到好奇號降落的照片。GPS小組得益於準確的計算。

在「好奇號」成功登陸火星之後，陳友倫他們並不能輕鬆下來。他們要繼續收集數據，分析數據。雖然好奇號近乎完美地降落在了火星表面，但在整個過程中並不是一點問題都沒有。比如使用的燃料略微多了點，大氣層的阻力比預計的小了一些，等離子隔絕時間比估計的要短，等等。儘管都不是太大的問題，但找到原因將有助於以後的火星任務的完成。還有一個重要工作就是把全部工作都記錄在案，為新生力量提供資訊。

有記者問陳友倫，這次的成功對他個人未來的影響。他僅僅回答說：「肯定有。」然後轉了話提：「這一周是讓人驚喜的一周。」(Certainly way up there. It has been an amazing week.)。表現出他一位華人的謙遜美德。

2003年8月陳友倫在加州與同樣是在2002年碩士畢業而且也在JPL工作的朱麗葉·維茨 (Julie Wertz) 在洛杉磯結婚。他目前已經是兩個孩子的爸爸，完成「好奇號」成功著陸的歷史性任務之後，接下來更大的挑戰應該就是今年12月等著迎接第3個孩子的出生了。陳友倫自小常和父母到台灣探親，聽得懂國台語，但自稱表達能力不佳，現在也會帶著兩個孩子回台灣玩。他說，來自台灣的雙親對他的教育十分重視，這種文化背景絕對影響了他的發展，而他更是以生長在一個科學家族中為一名華裔為榮。

「好奇號」雖然是美國人設計製造出來的，但是有許多華裔參與了這個宏偉的項目。陳友倫只是其中一位傑出的代表。其他的還有比如：資深科學家鄒哲 (Peter Tsou)、機器人操控工程師嚴正 (Jeng Yen)、「好奇號」副總工程師劉登凱 (Dan Kai Liu)。大家還應該已經知道，甚至這個火星車的名字都是由一位華裔少年馬天琪命名的。請閱讀我的文章：「MSL的火星車由華裔女孩命名，她僅僅是幸運嗎？」。由於馬天琪把自己的中文名字寫在了「好奇號」上，所以中文字也隨著「好奇號」到達了火星。雖然中國沒有能夠第一個把漢字送上火星，但我相信，中國一定能第一個把中文聲音和中國音樂送上火星。我們期待那一天的到來。

仔細的觀眾可能在電視上注意到，其實在陳友倫宣布「著陸確認」之前是先得到了「好奇號」總設計師亞旦·施特爾茨納 (Adam Steltzner) 的指示後發出的。其實，他與施特爾茨納是同時得到了「好奇號」的成功信號。他一定是出於對施特爾茨納的尊敬，在施特爾茨納發出指示後再把這個消息通過話筒傳遍了全世界。最後讓我們通過幾個視頻截圖來重溫當時的激動人心的場面：