2021年5月15日7時(shí)18分，我國科研團(tuán)隊(duì)根據(jù)“祝融號”火星車發(fā)回遙測信號確認(rèn)，天問一號著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，我國首次火星探測任務(wù)著陸火星取得圓滿成功!
我國首次火星探測任務(wù)于2016年立項(xiàng)，計(jì)劃通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)對火星的“環(huán)繞、著陸和巡視探測”，這是世界航天史上還沒有過的先例；2020年7月23日，天問一號探測器由長征五號運(yùn)載火箭在海南文昌成功發(fā)射；2021年2月10日，成功實(shí)施火星捕獲，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星；2月24日，進(jìn)入火星停泊軌道，開展了為期約3個(gè)月的環(huán)繞探測，為順利著陸火星奠定了基礎(chǔ)。隨著探測器成功著陸火星，我國成為第二個(gè)成功著陸火星的國家，實(shí)現(xiàn)了從地月系到行星際的跨越，邁出了征服“星辰大?！钡闹匾徊?
天問一號開展火星環(huán)繞、著陸和巡視探測的背后，有哪些我國獨(dú)立自主研發(fā)的黑科技在保駕護(hù)航？
中國航天科工集團(tuán)有限公司有關(guān)專家向記者介紹了該集團(tuán)研制生產(chǎn)的相控陣敏感器、高性能晶體元器件和電連接器、納米氣凝膠材料、加速度計(jì)、解鎖分離裝置等系列產(chǎn)品。
相控陣敏感器：首次亮相的太空“千里眼”
在天問一號著陸火星過程中，航天科工二院25所自主研發(fā)的相控陣敏感器首次實(shí)現(xiàn)地外天體著陸測量，發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
據(jù)介紹，相控陣敏感器安裝在火星著陸巡視器進(jìn)入艙著陸平臺的下方，作用范圍達(dá)數(shù)十千米，可謂火星探測器的太空“千里眼”。它和其他不同原理的測量敏感器一起，密切配合，“接力”引導(dǎo)航天器平安落地。
相控陣敏感器在航天器進(jìn)入火星大氣后，距火星表面約 7公里高度時(shí)開始工作，持續(xù)提供相對于火星表面多個(gè)方向的距離、速度數(shù)據(jù)，用于航天器的減速、懸停和軟著陸控制，直至著陸巡視器降落至火星表面約5米處。
航天器從130多公里的高空進(jìn)入火星大氣，時(shí)速高達(dá)每秒5.9公里，要在短短7分鐘的時(shí)間內(nèi)，讓航天器的速度降低到零，是所有火星探測任務(wù)中技術(shù)難度最大、失敗概率最高的關(guān)鍵時(shí)刻。
相控陣敏感器總工程師孫武介紹，這是國內(nèi)首次將相控陣體制雷達(dá)應(yīng)用于地外天體著陸測量。與此前的載人航天工程任務(wù)不同，火星和地球之間距離漫長，通信存在十幾分鐘的時(shí)延，在地球上無法控制著陸過程，必須讓著陸巡視器自主完成這‘黑色七分鐘’的旅程，對敏感器提出的要求極為苛刻。
“相比于國內(nèi)外已有的著陸測量雷達(dá)，相控陣體制的雷達(dá)天線由多個(gè)輻射單元組成，就像生物學(xué)中蜻蜓的復(fù)眼，具有波束掃描快、指向靈活、目標(biāo)容量大、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)?！睂O武詳細(xì)介紹了新體制敏感器的技術(shù)優(yōu)勢。
“25所研制的相控陣敏感器可以提供9個(gè)方向的測量功能，探測的方向可以通過軟件定義，航天器可以切換其中任意4個(gè)方向同時(shí)測量距離速度信息，從而快速修正航天器的姿態(tài)測量誤差，準(zhǔn)確地找到火星的水平面，確保著陸器的方向控制準(zhǔn)確無誤。”
相控陣敏感器主任設(shè)計(jì)師劉佳透露，火星著陸巡視器在下降過程中，會經(jīng)歷多種工作環(huán)境。與之前落月任務(wù)相比，由于火星重力比月球大，著陸下降加速度會更快，需要利用火星大氣進(jìn)行降落傘減速。在高速下落過程中打開降落傘，航天器會因減速?zèng)_擊發(fā)生劇烈擺動(dòng)，是影響著陸成敗的關(guān)鍵時(shí)刻。
“這一瞬間，在相控陣敏感器的測量方向上，距離會有很大的變化，同時(shí)部分測量信號會打到地平線以上，出現(xiàn)檢測不到目標(biāo)的情況?！眲⒓颜f，“對相控陣敏感器來說，就像在快速蕩秋千時(shí)，眼睛要看清地面一頁紙上寫的字?！?/p>
測量速度快、受干擾影響小，相控陣敏感器為著陸成功提供了堅(jiān)強(qiáng)保障。
此外，火星上時(shí)常會發(fā)生劇烈的塵暴天氣，在巡視著陸器靠近火星表面時(shí)，航天器發(fā)動(dòng)機(jī)噴射也會激起地面的粉塵和沙礫，對探測傳感器造成影響。
“微波信號體制應(yīng)對這種環(huán)境具有相對優(yōu)勢，”軟件設(shè)計(jì)師徐秋鋒說，“在這個(gè)前提下，產(chǎn)品在信號頻段選擇上做了充分的對比和論證，采用多種算法進(jìn)行了綜合優(yōu)化，并在沙漠戈壁通過直升機(jī)氣流模擬試驗(yàn)了在沙塵暴天氣中的工作狀態(tài)，確保測量的可靠性?！?/p>
深空探測任務(wù)的特點(diǎn)決定火星探測器需要在太空長時(shí)間工作，因而對自身的重量和體積提出了極為嚴(yán)苛的要求。目前國際普遍使用的著陸雷達(dá)，需要多個(gè)雷達(dá)天線實(shí)現(xiàn)不同方向的測量，而該型相控陣敏感器采用了瓦片式收發(fā)模塊高密度集成，使用一套天線即可實(shí)現(xiàn)120%uB0視場內(nèi)任意方向的精確測量，極大降低了產(chǎn)品重量和體積?！跋喈?dāng)于用 1套設(shè)備完成9套傳統(tǒng)設(shè)備的功能?！痹O(shè)計(jì)師賈學(xué)振介紹，“這意味著航天器可以攜帶更多科學(xué)載荷和燃料，完成更多的探測任務(wù)?！?/p>
“定制化設(shè)計(jì)”：為平穩(wěn)著陸提供多重保障
應(yīng)用降落傘減速，是確保探測器平穩(wěn)著陸的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在任務(wù)前期，需要開展試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證。
航天科工三院三部研制的“定制化”火箭制導(dǎo)艙，成功將4發(fā)試驗(yàn)火箭準(zhǔn)確控制到試驗(yàn)預(yù)定高度、速度和姿態(tài)角窗口，有效驗(yàn)證了探測器著陸降落傘的各項(xiàng)指標(biāo)。試驗(yàn)火箭一體化制導(dǎo)艙能夠在火箭初始發(fā)射階段和30公里以上高度飛行時(shí)，實(shí)現(xiàn)對火箭姿態(tài)的精準(zhǔn)穩(wěn)定控制。
天問一號離軌著陸階段，三院33所研制的石英撓性加速度計(jì)提供了準(zhǔn)確的加速度測量信息，幫助著陸巡視器實(shí)時(shí)獲取速度、位置等信息，保障著陸巡視器GNC（制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)）的自主慣性導(dǎo)航精度，為順利著陸提供重要前提。
加速度計(jì)本次主要有兩項(xiàng)任務(wù)，一是搭載于著陸巡視器，為其上的GNC（制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)）提供加速度信息，確保自主慣性導(dǎo)航精度，為安全平穩(wěn)著陸提供重要技術(shù)支撐；二是搭載于火星車上，實(shí)時(shí)“感知”運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)信息，從而為火星車安全平穩(wěn)地巡視火星表面保駕護(hù)航。
本次執(zhí)行任務(wù)的加速度計(jì)與此前在神舟系列飛船、探月工程等任務(wù)作出貢獻(xiàn)的加速度計(jì)屬同一系列。
技術(shù)人員透露，在設(shè)計(jì)方案上，對本次執(zhí)行任務(wù)的加速度計(jì)繼續(xù)保持了對溫度控制、密封等環(huán)節(jié)的嚴(yán)密把控。任務(wù)前，還曾特意模擬火星環(huán)境對加速度計(jì)進(jìn)行了低于零下100攝氏度的工作測試。測試顯示，在這遠(yuǎn)超正常工作溫度的環(huán)境下，加速度計(jì)依然能夠提供測量數(shù)據(jù)。
天問一號著陸過程中，環(huán)繞器和著陸巡視器需要完成分離，著陸火星后，著陸平臺需要釋放火星車，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要“定制化”的解鎖分離裝置來實(shí)現(xiàn)。
航天科工三院111廠為此次任務(wù)研制了兩器連接解鎖裝置、背罩連接解鎖裝置、大底連接分離裝置、火星車連接解鎖裝置等6項(xiàng)裝備。這些關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)了著陸巡視器與環(huán)繞器的連接解鎖及分離功能，并在著陸后完成火星車與著陸平臺的解鎖分離。
納米氣凝膠：為穩(wěn)定安全運(yùn)行保駕護(hù)航
因探測環(huán)境差異巨大，天問一號需要接受“冰火兩重天”的溫度考驗(yàn)。
納米氣凝膠是一種不為大眾熟知的神奇材料。它是由納米尺度的固體骨架構(gòu)成的一個(gè)三維立體網(wǎng)絡(luò)，其密度可以做到比空氣還輕，是世界上最輕的固體；導(dǎo)熱系數(shù)僅為靜止空氣的一半，是導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體，這使它成為“天問一號”應(yīng)對極寒、極熱等嚴(yán)酷環(huán)境所需熱防護(hù)材料的不二之選。
航天科工三院306所專家介紹，他們?yōu)樘靻栆惶栄兄屏藘深惛咝阅芗{米氣凝膠材料，以其高效防寒隔熱功能，為火星探測任務(wù)中應(yīng)對極寒、極熱兩種嚴(yán)酷環(huán)境提供保障。其中，超低密度納米氣凝膠隔熱板用于阻隔火星表面低至-120℃的極寒環(huán)境，該類超輕質(zhì)材料密度僅為常規(guī)氣凝膠材料的十分之一，可以有效降低火星車負(fù)載。耐高溫納米氣凝膠隔熱組件用于阻隔著陸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高達(dá)1200℃的高溫?zé)崃?，保護(hù)著陸平臺的正常功能。
航天科工二院203所為天問一號的通訊系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)研制生產(chǎn)了系列晶體元器件產(chǎn)品。晶體元器件體積雖小，卻可以為電子設(shè)備提供穩(wěn)定的頻率信號，因此常被稱為電子設(shè)備的“心臟”。此次出征的晶體元器件產(chǎn)品具有可靠性高、性能指標(biāo)優(yōu)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，能很好地滿足探測器在太空中長時(shí)間飛行的需要。
航天科工三院304所對接收、處理火星探測數(shù)據(jù)的地面應(yīng)用系統(tǒng)開展軟件測試，為天問一號信號接收軟件做好“體檢”。304所研發(fā)的火星探測任務(wù)分析與評估系統(tǒng)，為測控總體的方案設(shè)計(jì)、過程仿真和結(jié)果評估提供定量化分析手段，有效支撐測控總體迭代優(yōu)化。
航天科工所屬航天江南航天電器公司為本次火星探測任務(wù)研制生產(chǎn)的連接器、繼電器產(chǎn)品超過6000只（套），在相關(guān)系統(tǒng)中承擔(dān)信號傳輸、信號控制與信號通斷等作用，成為電信號傳輸系統(tǒng)的“神經(jīng)樞紐”。探測器遨游太空、著陸火星，其一身“鋼筋鐵骨”離不開航天科工所屬航天精工研發(fā)生產(chǎn)的數(shù)以萬計(jì)高強(qiáng)度、高性能緊固件產(chǎn)品，在提高探測器耐高低溫、抗疲勞等綜合性能方面發(fā)揮了重要作用。
據(jù)悉，后續(xù)火星車將與著陸平臺解鎖分離，開啟火星巡視探測任務(wù)。航天科工所屬航天江南航天電器公司“定制化”設(shè)計(jì)研發(fā)了矩形分離連接器和射頻脫落連接器，實(shí)現(xiàn)了火星車與著陸器之間控制信號的物理連接與分離，是保證背罩、大底和著陸器三大結(jié)構(gòu)部件可靠分離的關(guān)鍵部件。
火星表面地貌復(fù)雜，如何讓火星車在能夠自如地爬坡下坎，航天科工所屬航天江南群建精密公司為火星車設(shè)計(jì)研制了“定制化”的懸架減速自鎖裝置。這套裝置由兩部分組成，其中一部分用于夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，另一部分用于離合器機(jī)構(gòu)，二者相互配合，使得火星車能夠精準(zhǔn)調(diào)節(jié)車體姿態(tài)以適應(yīng)火星表面地形地貌。同時(shí)，安裝在火星車上的加速度計(jì)隨時(shí)為GNC提供測量信息，確保火星車移動(dòng)的過程中能夠隨時(shí)精準(zhǔn)“感知”速度、位置，為火星車安全平穩(wěn)地開展工作保駕護(hù)航。
面向十四五，團(tuán)隊(duì)提出了“更高性能、更多功能”的研究目標(biāo)。面對航天航空領(lǐng)域需求，能夠耐受更高溫度、具有更好隔熱性能的氣凝膠材料、具有光電磁等特殊功能的氣凝膠材料都在研發(fā)當(dāng)中；面向國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場，團(tuán)隊(duì)正在開展低成本制備技術(shù)的研發(fā)，希望在新能源汽車、工業(yè)保溫和建筑節(jié)能等領(lǐng)域擴(kuò)大應(yīng)用，為碳達(dá)峰和碳中和做出貢獻(xiàn)。
回首60載，中國航天，逐月追星，步履從未停歇；放眼未來，每一個(gè)航天材料人都將不忘初心、砥礪前行，為下一個(gè)十年的空天征途續(xù)寫新的輝煌篇章。
