獻給建黨百年華誕的科技大禮

袁臻睿

在人類對浩渺宇宙不斷探索的歷史上，太陽系的火星總是給人無限期待與遐想。2021年5月15日7時18分，在距離地球3.2億千米之外，這份遐想就伴隨著中國“天問一號”穩穩著陸在火星烏托邦平原南部預選區，漸次轉變為令世界驚嘆的客觀現實，從而也揭開了這顆“紅色星球”曾經神秘的面紗。

我國首次火星探測任務著陸火星取得成功！中國航天再次迎來歷史性時刻！

“在迎來建黨一百周年之際，‘天問一號探測器著陸火星取得成功，我代表黨中央、國務院和中央軍委，向你們致以熱烈的祝賀和誠摯的問候！”習近平總書記發來賀電，“‘天問一號探測器著陸火星，邁出了我國星際探測征程的重要一步，實現了從地月系到行星際的跨越，在火星上首次留下中國人的印跡，這是我國航天事業發展的又一具有里程碑意義的進展。你們勇于挑戰、追求卓越，使我國在行星探測領域進入世界先進行列，祖國和人民將永遠銘記你們的卓越功勛！”

總書記發來賀電，令中國首次火星探測任務總設計師張榮橋和他的團隊都流下了激動的眼淚。“我們經過了6年的研制生產，在發射場堅持了110多天，發射之后向著火星飛行了202天，之后在環火軌道又日夜堅守了93天，為的就是今天的成功著陸，我們如期實現了這個目標，完成了對國家的承諾。”總設計師張榮橋如是說。他深知“天問一號”成功的背后凝聚著全國各行各業科技自主創新豐厚的資源支撐：“這也是我們國防科技工作者獻給建黨百年華誕的一份科技大禮！”

在“迎來建黨一百周年之際”這個時間節點背后，蘊含著歷史唯物主義的強大力量。功成不必在我，功成必定有我。在建黨百年之際，到火星這顆“紅色星球”上去，既是一種科技實力的表達，更是一種精神力量的傳承——在追求卓越的道路上，我們只能止于至善;在實現中華民族偉大復興的征程中，我們注定勇往直前。

“跳一跳能夠摘到手的桃子！”

回眸“天問一號”探測器的成功之路，人們又怎能不感慨萬千呢！曾幾何時，到火星去是我們遙不可及的夢想。但中國航天的發展之路表明，航天事業作為一個國家高科技實力的代表，只有通過實施國家重大工程引領，才能在世界日趨激烈的科技競爭中勇立潮頭。

歷史的豐碑鐫刻著這樣的征程。我國首次火星探測任務立項于2016年。時任月球探測工程總指揮欒恩杰坦言：“即使以我國目前的載人航天和月球探測工程等科技實力來衡量，高質量發射第一顆火星探測衛星也是一項復雜的深空探測系統工程，具有相當的科學難度和工程技術難度，需要全國各行各業豐厚的科技自主創新資源和雄厚的國家實力作為支撐。”特別是當年就規劃著要能夠一次性實現環繞、著陸、巡視火星探測任務。而這種形式在目前已知的國外火星探測實踐中史無前例。國外曾經有過嘗試“環繞與著陸并行”的案例，但多以失敗告終。可見，中國火星探測工程計劃一次性完成“繞、落、巡”三項任務，具有相當大的挑戰性。

火星探測的科研與工程技術難度，加之26個月才能遇到一個發射時間窗口的特殊性，要求我國的航天科學家和工程技術專家們必須以高度的責任心、時不我待的緊迫感，科學確定并嚴密制訂工程計劃，全力爭取在2020年這一時間窗口，成功發射我國第一個火星探測器。

“這是我們經過艱苦努力和科技自主創新，跳一跳完全能夠摘到手的桃子！”時為中國航天科技集團五院火星項目顧問的葉培建院士在央視新聞頻道《面對面》欄目中直言，“如果我們再不抓緊中國火星探測計劃的組織實施，我們將愧對后人！”

“恐怖9分鐘”的嚴峻考驗

自2020年7月23日“天問一號”探測器在海南文昌由長征五號運載火箭成功發射以來，她在地火轉移階段先后完成了1次深空機動和4次中途修正，并于2021年2月10日成功實施火星捕獲，進入大橢圓環火軌道，成為我國第一顆人造火星衛星。2月24日，“天問一號”探測器成功實施第三次近火制動，進入火星停泊軌道，開展了為期92天的環繞探測，對火星開展全球遙感探測，并對預選著陸區進行詳查，探測分析地形地貌、沙塵天氣等，為順利著陸火星奠定了基礎。

而著陸火星是此次“天問首旅”的最大挑戰。“其難度被形容為相當于從巴黎打一個高爾夫球，正好落到東京的洞里。”因此，這個過程又被稱為最為兇險、最為驚心動魄的“恐怖9分鐘”。目前已知的人類火星探測任務成功率僅有50% 左右，就是因為大部分航天器都折戟在“進入/下降/著陸（簡稱EDL）”階段。

“火星探測最大的難點就是EDL，這個過程需要融合氣動外形、降落傘、發動機、多級減速和著陸反沖等多項技術才能實施軟著陸。每個環節都必須確保精準無誤，差一秒都可能造成整個任務的失敗。”航天科技集團五院“天問一號”探測器總設計師孫澤洲如是說。

雖然此前我國已有月表著陸經驗，但是此次“天問一號”火星軟著陸任務更加艱難。一方面，火星表面存在大氣，但大氣密度只是地球大氣的1%左右;另一方面，著陸時火星與地球相距約3.2億千米，通信時延達到20分鐘，如此遙遠的距離讓地控中心根本來不及對整個著陸過程做任何處置，所有的艱難處置都只能靠“天問一號”自主完成。

整個著陸過程是這樣記錄的：5月15日凌晨4時許，由中國航天科技集團五院研制的“天問一號”火星探測器成功實施兩器（環繞器、著陸巡視器）分離;由中國航天科技集團八院研制的環繞器則在釋放著陸巡視器后再次返回環火軌道，成為著陸巡視器與地球的通信中繼站，同時繼續進行火星環繞探測。環繞器作為搭載著陸巡視器的星際“專車”，需要順序完成軌道降低發動機點火和關機、兩器分離姿態建立、兩器分離后軌道升高發動機點火和關機等系列動作。“可以說，器器分離的過程是對控制算法精度、產品工作可靠性、故障預案周密性等最充分的考驗。”

3小時后，著陸巡視器成功穿越并借助火星大氣，進行氣動減速;這套動作完成后，此刻著陸巡視器的下降速度也遞減了90%左右。這個過程中，它克服了高溫和姿態偏差，打開降落傘，實施傘系減速降速;當速度降至100米/秒時，著陸巡視器通過反推發動機再次減速，即由大氣減速階段進入動力減速階段。在距離火星地表100米時，“天問一號”進入懸停階段，著陸巡視器在緩沖機構的保護下，實現在火星表面軟著陸。整個著陸過程，“天問一號”的速度在9分鐘內從約2萬千米/時降至零。成功軟著陸的中國“天問一號”在火星烏托邦平原南部穩穩屹立。

支撐“天問一號”瀟灑著陸的科技力量

國防科技工業及相關行業在首次火星探測任務中發揮出全國大協作精神。僅以中國電科為例，為全面保障“天問一號”成功著陸火星，他們發揮了科學載荷、測控通信系統方面的技術優勢，提供了大量設備和技術支持。如配套研發的我國首款環繞器雷達，作為7個火星環繞器探測設備之一，為火星探測加裝了一雙慧眼，使精準探測不再是難題;如配備的系列測控設備，為火星探測器在茫茫“星辰大海”中測軌定位保駕護航;研發的鋰氟化碳電池組，實現了鋰氟化碳電池在深空探測器上首次應用，有效減少了電源產品高溫下的自放電率，實現了能量在軌長期貯存;配套的電機、傳感器、濾波器、功率模塊、低噪聲放大器、二極管、固放、變頻組件等多款關鍵核心元器件，滿足了火星探測組件小型化、高可靠的要求。

又如“天問一號”在以完美角度切入火星大氣時，巨大的通信時延，使地面測控設備無法實時對著陸器（含火星車）在最后“落火”階段進行測控而陷入“黑暗時間”。為了讓“黑暗時間”不再黑暗，中國電科對系列深空測控站進行研發升級，以更好的性能執行地面遙控、遙測、高精度目標導航及數據接收等任務。通過組陣技術，他們將4 套35 米深空天線進行組陣合成，這也是我國首個35 米深空探測天線陣，可以實現對遠在4 億千米以外的火星探測器進行極高靈敏度的微弱信號組陣接收，極大增強地面系統的接收能力。該組陣系統采用高性能的實時及事后多天線信號組陣合成算法，通過多天線系統的綜合資源調度以及任務管理，實現天線單元間高同步高精度的時頻信號分發以及數字化采樣，從而為“天問一號”探測器傳回的微弱信號提供高質量接收服務。

除4套35米深空天線組陣系統，中國電科還研制了亞洲最大單口徑70米全可動天線。該天線具備穩定接收微弱人造數據信號和感知極微弱宇宙自然天體輻射電磁波等功能，為接收“天問一號”探測器傳回的科學數據提供堅實保障。為保證天線指向精度，研制團隊采用了多電機控制、抗陣風擾動以及多參數指向標定修正等多項新技術，使天線指向精度大幅提升。他們還采用了副面賦形和實時吻合、反射體溫度場控制等多個專項技術，提高了天線主反射面面形精度。此外，根據火星探測任務各弧段應用場景，中國電科對佳木斯66m深空測控站進行了適應性改造。改造后，其與喀什深空測控站、阿根廷深空測控站協同工作，形成全球覆蓋，全力保障火星探測任務的完成。采用DOR（差分單向測距）等方式與其他深空站協同進行干涉測量形成軌道預報，經過連續數天降軌參數試算確定進入大氣初始點位置;降軌機動前約8小時，在佳木斯深空站測控弧段內，地面注入進入大氣初始點和導航數據等關鍵指令，引領著陸器完成避障并安全著陸。為全部有效利用“降火”數據，獲取更多關于落火初始階段著陸器信息，研發團隊通過數據慢幀處理策略的優化，實現了低碼率數傳信號接收功能，做到信息首幀輸出即能上報，提高信息有效幀數量，得到更多關于著陸巡視器降落時的寶貴信息。

“祝融號”有效展開火星巡視探測

火星探測是一項科學探索性強的工程，到達火星后的“祝融號”火星車如何有效獲取科學探測數據，對于科學研究來說極其重要。

“天問一號”成功著陸后，她首先將著陸信息通過環繞器轉發地面。然后，著陸器和將執行巡視任務的“祝融號”火星車先后完成坡道及太陽翼天線展開，“祝融號”在第一時間將成功展開的消息傳回地面。一切準備就緒后，根據地面指令，“祝融號”自主駛離著陸器平臺，平穩抵達火星地表，開始首輪巡視征程。

受到火星苛刻環境的影響，“祝融號”的巡視以3 天為一個工作周期。如遭遇強風掀起大量沙塵、石塊，形成特大沙暴，對“祝融號”的生存會造成嚴峻考驗。針對這樣的情況，設計師使用了新型材料。這種材料不易沾上灰塵，即使沾上，也可以通過振動將其抖落。火星表面還密布著石塊等障礙物，“祝融號”的行駛需要更加“小心翼翼”。為此，科學家們在北京的航天五院實驗室中，設置有一臺與“祝融號”一模一樣的火星車。當“祝融號”遇到火星復雜路況時，地球上的火星車將對火星路況進行模擬行駛，確認無誤后才會發出行進指令。但即或是這樣，“祝融號”火星車每次也只能“工作”一兩個小時，工作內容主要包括環境感知、科學探測、數據下傳等。

“祝融號”火星車上搭載了6臺載荷，分別是多光譜相機、次表層探測雷達、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀、地形相機。它們共有五大使命，主要涉及火星空間環境、地表形貌特征、土壤表層結構等研究，將帶來火星的第一手資料。其中，與氣象有關的研究項目將收集溫度、氣壓、風速和風向的大氣數據，并研究火星的磁場和重力場。

5月19日，國家航天局發布我國首次火星探測“天問一號”任務執行圖像，包括探測器著陸過程兩器分離和著陸后火星車拍攝的影像。這些圖像表明著陸平臺和“祝融號”火星車的駛離坡道、太陽翼、天線等機構展開正常到位。在陸續發布令世界驚喜的更多圖像后，國家航天局宣布：“天問一號”火星探測任務圓滿成功！同時指出：這只是我國“行星探測重大工程”整體規劃中的第一次任務，后續還規劃了小行星探測、火星取樣返回、木星系及行星穿越探測。相信未來的深空探測會給國人帶來更多值得期待的傳奇故事，為探索宇宙奧秘、促進人類和平與發展的崇高事業作出新的更大貢獻！