十年磨劍奔火星，4億公里闖難關(guān)

本文圍繞2022年度上海市科技進(jìn)步獎一等獎“火星探測行星際飛行及環(huán)繞平臺技術(shù)”項(xiàng)目展開。該獎項(xiàng)由上海衛(wèi)星工程研究所朱新波領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)獲得。

幾個世紀(jì)前的大航海時代，人類第一次建立了跨越大陸和海洋的聯(lián)系，世界開始連成整體。而深空探測是連接地球和地外文明的橋梁，從嫦娥奔月到夸父逐日，人類從未停止追求星辰大海。

茫茫宇宙中，火星承載著人類厚重的夢想。2020年7月，我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器成功發(fā)射。在隨后的幾百個日夜里，“天問一號”通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了火星環(huán)繞、著陸和巡視三大目標(biāo)。而任務(wù)背后的火星環(huán)繞器研發(fā)團(tuán)隊(duì)也獲得了2022年度上海市科技進(jìn)步獎一等獎，他們開發(fā)的環(huán)繞器技術(shù)未來也將用于“天問三號”“天問四號”等行星探測工程任務(wù)。

4億公里闖難關(guān)

“天問一號”任務(wù)中，火星環(huán)繞是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從地球飛往火星，飛行路徑超4億公里，“天問一號”耗時200多天。在近7個月的時間里，探測器能順利被火星捕獲是第一關(guān)，也是火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。

火星探測器從地球飛向火星的過程中，能夠被火星引力所捕獲進(jìn)而形成環(huán)繞軌道的機(jī)會只有一次。此次火星探測任務(wù)捕獲期間，探測器距離火星最近僅400公里，稍有偏差就會撞擊火星或飛離火星，因此，捕獲的成敗就成了決定火星探測任務(wù)成敗的關(guān)鍵。

探測器被火星捕獲僅僅是第一道關(guān)卡，此后還要面臨進(jìn)入環(huán)火橢圓軌道、停泊探測、兩器分離、中繼通信、環(huán)火遙感等挑戰(zhàn)，任何一個環(huán)節(jié)出了問題，都將導(dǎo)致環(huán)繞任務(wù)失敗。

為了順利完成探“火”任務(wù)，中國航天科技集團(tuán)第八研究院上海衛(wèi)星工程研究所火星環(huán)繞器副總設(shè)計(jì)師朱新波帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了火星環(huán)繞器，讓它負(fù)責(zé)完成以下任務(wù)：攜帶著陸巡視器進(jìn)行地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、環(huán)火軌道調(diào)整和落區(qū)預(yù)探測；實(shí)施兩器分離，提供中繼支持服務(wù)；在遙感軌道，利用科學(xué)載荷對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測。

從近地到近火，環(huán)繞器要經(jīng)歷大跨度的溫度變化。在環(huán)火陰影區(qū)，探測器要進(jìn)入—180℃的極端低溫環(huán)境，這對器上產(chǎn)品及系統(tǒng)熱控提出了高要求。研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)和功率平衡確保了艙內(nèi)的溫度水平，而經(jīng)過嚴(yán)格的材料選型與試驗(yàn)驗(yàn)證，艙外產(chǎn)品也具有了滿足深低溫條件的環(huán)境適應(yīng)性。

“天問一號”火星環(huán)繞器效果圖（中國航天科技集團(tuán)第八研究院供圖）

通常情況下，環(huán)繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星都由地面控制中心根據(jù)衛(wèi)星實(shí)時狀態(tài)和任務(wù)要求進(jìn)行控制。但“天問一號”與地球衛(wèi)星不同，由于器地距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)時單向通信延時達(dá)20多分鐘，一來一回通信就會延遲40多分鐘，地面指令來不及實(shí)時干預(yù)探測器的運(yùn)行。

深空探測器與地面站通信之間還存在獨(dú)特的“日凌”現(xiàn)象：當(dāng)探測器、地球和太陽處于同一條直線上時，太陽輻射會干擾地火之間射頻信號的傳輸，導(dǎo)致通信中斷。我國首次火星探測任務(wù)中經(jīng)歷的“日凌”最長達(dá)到30天。“日凌”期間，環(huán)繞器必須“自己照顧好自己”，依靠自身完成任務(wù)管理，并在出“日凌”后迅速自主與地面恢復(fù)聯(lián)系。

為了解決這些問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過研制高度集成的小型化綜合電子系統(tǒng)，使環(huán)繞器實(shí)現(xiàn)了器務(wù)管理、遙測遙控、熱控管理、配電管理、推進(jìn)控制、機(jī)構(gòu)驅(qū)動和數(shù)據(jù)存儲功能的一體化，為綜合信息自主管理奠定了硬件基礎(chǔ)。同時，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還通過設(shè)計(jì)多系統(tǒng)多模式器上信息綜合自主處理方案，保證了一級故障任務(wù)正常執(zhí)行，二級故障整器安全，實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞器在軌自主運(yùn)行超過30天的能力。環(huán)繞器通過X頻段兩維可驅(qū)動的2.5米大口徑數(shù)傳天線，實(shí)時驅(qū)動跟蹤，向地球回傳環(huán)繞器的狀態(tài)信息及科學(xué)數(shù)據(jù)，最大速率達(dá)4 Mb/s。

十年磨劍奔火星

從事航天工作已有20多年的朱新波在研發(fā)火星環(huán)繞器的過程中，承擔(dān)了抓環(huán)繞器總設(shè)計(jì)、系統(tǒng)研制過程質(zhì)量控制、整星大型測試與試驗(yàn)等研制全過程工作。他深刻認(rèn)識到了火星探測任務(wù)的特殊性與難度。

朱新波說：“不同于地球衛(wèi)星任務(wù)，深空探測任務(wù)對探測器的性能指標(biāo)要求都是最高的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，攻關(guān)難度大。”"他表示，受火星、地球繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的天體規(guī)律影響，火星探測器的發(fā)射窗口每26個月才出現(xiàn)一次，要求非常苛刻，“天問一號”任務(wù)從啟動開始就確定了2020年7月的發(fā)射窗口，不容推遲，這就給探測器的研制進(jìn)度帶來了巨大壓力。

朱新波和團(tuán)隊(duì)自2010年開始背景任務(wù)論證工作，其間經(jīng)歷多輪次方案迭代，直到2014年才正式啟動方案，逐步攻關(guān)。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展火星環(huán)繞器的研制工作，方案、初樣、正樣三個研制階段持續(xù)了6年時間。在這期間，他們克服重重困難，完成了方案驗(yàn)證器、初樣結(jié)構(gòu)器、初樣電性器、正樣器的研制，整個研發(fā)過程前后歷時10年。

2020年7月，“天問一號”探測器在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。朱新波帶頭研發(fā)的火星環(huán)繞器帶著全國人民的期盼奔向火星。他在現(xiàn)場通過回傳的數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測著火星環(huán)繞器的狀態(tài)。器箭分離后，“火星環(huán)繞器按照我們設(shè)計(jì)的動作一步一步精準(zhǔn)地完成飛行狀態(tài)建立”。那一刻，他的內(nèi)心激動不已。

在“天問一號”之前，我國沒有一手的火星探測數(shù)據(jù)，只能依靠國外。“天問一號”任務(wù)的成功實(shí)施，為我國科研工作者提供了大量科學(xué)數(shù)據(jù)，有助于其產(chǎn)出大量科研成果。

離開地球約202天后，火星環(huán)繞器抵近火星。那天，火星環(huán)繞器不負(fù)眾望，如教科書般地完成了火星捕獲制動，成為中國首顆人造火星衛(wèi)星。朱新波說：“‘天問一號’邁出了我國行星探測的第一步，后續(xù)我們國家還會繼續(xù)探測火星和其他星球。”他和團(tuán)隊(duì)開發(fā)的火星環(huán)繞器技術(shù)未來將應(yīng)用于我國深空探測環(huán)繞類探測任務(wù)，如“天問三號”“天問四號”等行星探測工程任務(wù)。

“深空探測任務(wù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要集智攻關(guān)。”"朱新波感慨，在研制過程中必須充分發(fā)揮全國優(yōu)勢，在頂層統(tǒng)一的指揮和領(lǐng)導(dǎo)下齊心協(xié)力，才能完成任務(wù)。與此同時，嚴(yán)慎細(xì)實(shí)才能確保成功。所有地面問題在天上都是巨大隱患。因此，研制過程中任何一個小細(xì)節(jié)都不能放過。他勉勵青年，學(xué)習(xí)期間要扎根基礎(chǔ)專業(yè)，建立系統(tǒng)觀念，多學(xué)習(xí)、多動手，持續(xù)更新知識、持續(xù)實(shí)踐操練，不斷提升綜合能力，讓幾代航天人矢志追求的航天強(qiáng)國夢成為現(xiàn)實(shí)。