首次“探火”背后的黑科技

賈璇

5月15日7時18分，在距離地球3.2億千米之外，我國首次火星探測任務天問一號探測器成功實現火星表面軟著陸，降落在預選著陸區——烏托邦平原南部。19日，以中國火神“祝融”命名的火星車傳回了第一批火星照片，圖像中火星表面紋理清晰，地貌信息豐富。

5月22日10時40分，祝融號火星車安全駛離著陸平臺。為了紀念這一天，火星車代表中國在火星行駛了0.522米。中國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋表示：“盡管只移動了0.522米，但標志著我們繞、著、巡工程的目標圓滿達成。”

接下來，火星車將開始巡視探測。按計劃，火星車將開展巡視區環境感知、火面移動和科學探測，通過配置的地形相機、多光譜相機、次表層探測雷達等6臺載荷，對巡視區開展詳細探測。

據介紹，此次火星探測的科學目標是研究火星形貌與地質構造特征、火星表面土壤特征與水冰分布、火星表面物質組成、火星大氣電離層及表面氣候與環境特征、火星物理場與內部結構等。

我國第一次火星探測就要完成“繞”“落”“巡”三大任務，中國航天科技集團五院、天問一號探測器總指揮總設計師顧問葉培建對此表示：“我們第一次任務就要去探火星、繞火星探測、又要著陸，這是個創新。全世界還沒有一個國家一次任務完成這兩步的，我們一次就完成了。”

精密元器件擺動范圍僅為發絲粗細的三分之一

相對于月球，火星和地球之間的距離更遠，最遠時可達約4億公里，這對發射、軌道、控制、通信和電源等技術都提出了更高的要求。目前，在人類對火星實施的44次探測任務中，僅有24次成功。

曾有人比喻稱，要讓探測器在火星精準著陸，相當于從法國巴黎擊出高爾夫球，落在日本東京的一個洞里。要執行難度如此高的任務，地面能夠隨時了解飛行器的狀態，至關重要。

“石英撓性加速度計可以為飛行器的制導導航與控制分系統（GNC），隨時隨地提供加速度數據，實時感知飛行器在運動過程中的姿態信息。”中國航天科工三院33所、石英撓性加速度計研制工作負責人姜福灝對《中國經濟周刊》介紹。

據悉，此次在火星著陸巡視器和祝融火星車上，均搭載了石英撓性加速度計，測量精度可達20微克，與此前在神舟系列飛船、探月工程等任務中的產品屬于同一系列。

“石英這種材質很常見，很多手表里都有，關鍵在于加工工藝。” 據姜福灝介紹，加速計里有一塊石英圓片，經過特殊的“雕刻”方式，把圓片中心和四周剝離開，只留下極少連接，相關聯的部分被稱為“梁”，最薄的“梁”僅有頭發絲粗細的三分之一。這樣加工后的石英圓片可以在特定軸向任意擺動。當飛行器發生速度變化時，可以通過擺片的擺動程度測量其加速度。

在模擬火星環境的測試中，當溫度降到零下100攝氏度時，加速度計依舊可以提供測量數據，這一標準遠超其正常的工作溫度。

中國航天科工三院33 所技術人員檢查加速度計組件的加工質量。

中國航天科工三院33 所技術人員在潔凈間裝配加速度計。

制作好的擺片，要在其上下兩面安裝經過精密繞制的線圈，共有6層200多圈的銅線環繞在金屬環上。“加速度計是高度對稱的結構，這也就意味著線圈的繞制必須近乎完美，不能亂，不能斜。上下兩個線圈重量之差不能超過0.3毫克，相當于一根3厘米長的頭發絲的重量。”姜福灝說。

零下130℃～1000℃，自主研發材料經歷“冰火兩重天”考驗

因探測環境差異巨大，天問一號需要接受“冰火兩重天”的溫度考驗。據介紹，在火星著陸階段，發動機產生的熱量可致周圍溫度超過1000攝氏度;在火星巡視階段，火星車的工作環境溫度僅僅只有零下130攝氏度。

據《中國經濟周刊》記者了解，祝融火星車上采用了新型隔熱保溫材料——納米氣凝膠。除了應對極熱極寒的考驗，納米氣凝膠的超輕特性還極大程度減輕了火星車的重量負擔。

據中國航天科工三院306所副所長張昊對《中國經濟周刊》介紹，納米氣凝膠是由納米尺度固體骨架構成的三維立體網絡，比空氣還輕，是目前世界上最輕的固體。此外，其導熱系數僅為靜止空氣的一半，也是導熱系數最低的固體。

事實上，探火任務并不是納米氣凝膠的“首戰”。2005年，306所自主投入該項技術研發，成為國內最早開展氣凝膠材料研究的單位之一。

雖然有足夠的經驗積累，但天問一號執行任務時所面對的太空環境，還是給306所氣凝膠團隊出了難題。

“火星著陸時發動機產生的熱量使周圍的溫度超過1000℃，這超出了當時世界上氣凝膠材料的耐溫極限。”張昊說。為突破技術難關，團隊對天問一號開發出了兩種氣凝膠材料，先后進行了物理特性、力學性能、隔熱性能和空間環境耐候性能等四大類總共98項的試驗測試。

據張昊介紹，此次采用的氣凝膠材料經過技術升級，具有超強的隔熱性能。厚度約10毫米的隔熱組件可在整個著陸過程中，將發動機周邊上千度的高溫阻隔到可接受的范圍，就像消防員身上穿的防火服一樣。現場演示中，工作人員將一朵鮮花放在薄薄的氣凝膠板上，用1200攝氏度的火焰灼燒氣凝膠板底部，鮮花完好無缺。

通過在火星車表面鋪設大面積的氣凝膠板，則像給登山運動員穿上防寒服，阻隔了環境的超低溫。“這種氣凝膠的密度極低，達到15毫克每立方厘米，即在同等體積下，重量只有鋼的1/500，鋁的1/180，水的1/60。”張昊如是告訴《中國經濟周刊》記者。

據了解，306所研制的氣凝膠產品已經在二十幾型航天裝備上獲得了應用，研究成果先后獲得國家科技進步獎、國防技術發明獎和中國專利金獎等。氣凝膠材料的應用領域也逐漸拓展開來。例如作為長征五號系列火箭的發動機燃氣系統的隔熱材料;被制成真空隔熱板用在“天舟一號”“天舟二號”貨運飛船的低溫鎖柜中。

責編：張燕zhangyan@ceweekly.cn