天問一號實現一步“繞、著、巡”，依靠這些科技創新

文／付毅飛 何 亮

6月12日，國家航天局召開首次火星探測任務新聞發布會，我國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋、任務探測器系統總設計師孫澤洲、任務地面應用系統總設計師劉建軍、測控系統專家、北京航天飛行控制中心責任總師崔曉峰全面解讀我國首次火星探測任務。

為何選擇一步實現“繞、著、巡”這一方案

一步實現“繞、著、巡”。

談及為何選擇這一方案，我國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋坦言，在論證之初就在想，我國探月工程“繞、落、回”三步走非常穩健，每一步都很精彩。那么，我們國家去行星際、去火星要如何干？

實際上對去火星的技術難度，科學家們心知肚明，了解得非常清楚。到目前為止，全球火星探測的整體成功率只有50%左右，著陸類的任務的成功率只有40%多一點，這是客觀現實。

張榮橋透露，在論證初期，首次火星探測任務選擇了一個風險相對較低的“環、繞”方案。但是對于這個方案，張榮橋和業界專家及參與論證的科研人員都”心有不甘“。

“因為跟國外相比，我們起步較晚，這是客觀現實。但是在論證的時候，與國外還存在著不小差距的情況下，國家投錢讓我們來干這么一件事情，我們的同志有個基本共識：不能僅僅考慮風險，更要考慮對航天技術發展和科學研究的牽引、帶動作用，對國家整體能力的提升作用。拿我們今天的話來說，就是要體現出我們航天人的擔當精神。“張榮橋說。

因此，在分析了各種因素，特別是載人航天、探月工程為火星探測奠定了一定的技術和設備設施基礎，長征5號運載火箭又提供了必備的發射能力。

在此基礎，大家就認為“踮踮腳、伸伸手”，盡管難度很大，但是一步實現”繞、著、巡“的風險是可控的。因此最后形成了我們國家火星探測“一步實現繞著巡，二步完成采樣回”的總體發展思路。

一步實現繞著巡，意味著研制難度加大，說的白一點，失敗的可能性增加了。

所以，在當天的新聞發布會上，國家航天局新聞發言人許洪亮特別提到，天問一號任務成功是全體參研參試人員八年來團結拼搏、不懈努力的重要成果。天問一號任務成功是新型舉國體制制度優勢的又一次生動體現。離不開黨中央的堅強領導和前瞻決策、離不開各部門和單位的大力協同和精心組織、離不開專家院士們的超前謀劃和積極推動、離不開航天精神的激勵鼓舞。

13種科學儀器開啟火星科學探測

為了開展火星科學探測，在火星車上配備了6種儀器，火星車雷達、磁場探測儀、成分探測儀、氣象測量儀、多光譜相機和地形相機，其中，表面磁場探測儀將是國際上首次在火星表面進行移動的磁場測量，獲得精細尺度的火星磁場信息。我國首次火星探測任務地面應用系統總設計師劉建軍介紹說。

同時，國際先進的火星車雷達和表面成分探測儀，通過雙頻段全極化雷達獲取火星淺層結構，探測可能的地下水/冰分布；通過激光誘導光譜方式，獲取火星表面巖石的化學元素組成。

此外，多光譜相機、地形相機和氣象測量儀，將感知火星表面環境，測量火星表面溫度、氣壓、風速、風向和聲音。

劉建軍表示，目前，6種科學儀器均已開機測試獲取探測數據，正在開展科學探測。我們將圍繞水/冰活動、火山活動等關鍵科學問題，深入認識火星古環境特征和演化，研究古火星的宜居環境。

在環繞器上配置7種科學儀器也非常有特點。劉建軍介紹，比如有一個雙極化雷達、亞米分辨率的高分相機、500多個譜段的光譜分析儀、中分辨率相機，“這些都和目前國際上火星探測的最高能力處于同等水平”。另外還有磁強計、離子與中性粒子分析儀和能量分析儀，“他們主要是結合起來對磁場與粒子空間環境進行探測，為火星空間環境和大氣逃逸機制研究獲取第一手的資料”，劉建軍說。

著陸與巡視環節有多項技術創新突破

“火星的著陸下降過程是我們此次任務風險最高的環節，這個環節中我們要面對不熟悉而且多變的火星大氣環境，還要自主完成十幾項關鍵動作，而且這些動作環節也是環環相扣的。”在發布會上，我國首次火星探測任務探測器系統總設計師孫澤洲直言首次著陸火星面臨的巨大挑戰。

孫澤洲介紹，從進入火星大氣到最終著陸到火星表面，歷時雖然只有9分鐘，但是在這個復雜過程中要利用火星大氣把相對于火星每秒4.8公里的速度減到為0，這就決定了這次火星著陸任務過程的難度。

如何解決這些問題？火星探測在技術上做了許多創新。

針對氣動的影響，首先通過全新的氣動力、熱的實驗方法研究，經過一系列算法和試驗，最終建立起完備的氣動力、熱數據庫，由此設計了與地球進入不同、與國外氣動著陸外型也不同的全新氣動外型。同時針對火星大氣進入，采用了彈道升力的方案。提高對火星大氣不確定性的適應能力，降低不可干預環境帶來的風險。

“這樣一個方案雖然可以很好適應火星大氣環境不確定性，但是也面臨很多難題。”孫澤洲表示，其中一個是進入過程中氣動減速段需要一定的配平攻角，在開傘前我們又把這個攻角調回來，利于我們開傘尾流對稱性，使開傘的風險更小。

針對這樣一個難題，我國的火星探測任務在國際上首次采用配平翼的打開，利用火星大氣阻力進行攻角調整。“這樣一個方案，應該說，相比以往火星表面進入的方案，我們這個系統的重量只有國外的10%。這就是氣動力、熱方式以及我們技術方式上的創新”孫澤洲說。

巡視環節，火星表面巡視跟月球還有不同，火星表面呈現低光照，太陽光能量相對比較小。同時，火星表面容易出現沉陷。

怎么解決？

“首先是首次在火星上采用太陽能集熱器技術，這個做法使我們對太陽能利用率達到80%，極大提高我們對太陽能利用效率，也為火星車在火星表面提供了很好的溫度保障。”

而針對火星易沉陷得特殊地貌問題，則采用主動懸架系統。“這個系統雖然實現起來復雜，但是針對于可能的沉陷或者車輪故障，包括爬坡能力，可以得到進一步的提高。這樣，我們可以主動改變我們移動的形態，實現車體抬升、車輪抬升甚至蠕動等等形態。而且一旦沉陷，可以實現多種移動方式實現脫困。”

這也是國際上首次在地外天體采用主動懸架移動系統，作用是更好適應我們在火星上穩健移動、可靠移動的目標。

此外，我國首次火星探測任務在星際通信、自主導航、自主管理等方面，在方法方案和技術上也都有創新。

測控技術了解決抓得著、看得清、控得準的問題

火星任務的測控系統主要是由地面測控站網及飛控中心組成，在火星探測中承擔著對“天問一號”探測器以及“祝融號”火星車的跟蹤、軌道測量、數據通信，解決抓得著、看得清、控得準的問題。

測控系統專家、北京航天飛行控制中心責任總師崔曉峰表示，通過我國首次火星探測工程的建設和實施，我國的深空測控體系建設、能力建設，都取得了長足發展和重要突破。

測控距離大幅延伸。在我國原有深空測控網基礎上，完成了深空測控設備能力的升級，滿足深空測控通信的技術指標和全新工作模式要求，同時新建成多天線組陣系統，對深空弱信號的接收處理能力大大增強，對探測器的跟蹤、測量和數據傳輸能力，從探月工程的幾十萬公里擴展到火星任務的數億公里。通過我國深空測控網所屬的各個測控站和測控設備，可以實現對探測器的全時段跟蹤覆蓋，實現了我國首次行星際飛行的成功測控和可靠上下行數據傳輸。

測控精度有力保障。綜合運用符合行星際空間與時間特征的軌道確定技術，以及增強的測量手段，測量精度大大提高確定。利用全球布站的深空干涉測量，取得測量基線長度更長、構型更豐富的優勢，使得深空軌道確定和預報精度進一步提高，為近火捕獲、兩器分離、火星大氣進入等關鍵控制，以及火面著陸以后巡視探測的成功精準實施提供有力支持。

飛行控制克難制勝。由于超長時延和弱信號的原因，地面飛控的模式比近地航天以及月球探測任務都有很大不同，并且大量環節都是機會唯一，只能一次性成功。此外，通過環繞器中繼的方式對火星車進行遙操作控制，從狀態獲取到控制實施，以及天地設施的調度協同都增加了許多新的難度和挑戰。在這次任務中，成功實現了超長時延、開環模式下的深空飛行器的飛行控制和行星表面巡視器的遙操作控制，做到了從地面對數億公里以外的飛行器和火星車狀態掌握及時、完整，操作控制準時、精確，實際結果與預定方案達到高度契合。總得來說，通過此次火星探測任務的成功應用，表明我國的深空測控能力和飛控體系完全能夠滿足行星際空間的跟蹤、測量、通信、控制要求，能夠為我國后續更多更遠的深空探測任務提供堅實支撐。