天問一號成功著陸火星！還有這些“神器”護身

　　北京時間5月15日，天問一號著陸巡視器穩穩地降落在預選著陸區——火星北半球的烏托邦平原，中國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功。

　　天問一號探測器于2020年7月23日發射，在今年2月到達火星，成功被火星捕獲。經過3個月的養精蓄銳，天問一號已在近日實施降軌，完成著陸巡視器與環繞器分離。在成功軟著陸于火星表面后，不久中國首輛火星車“祝融號”也將駛離著陸平臺，開展巡視探測等工作。

　　此次天問一號登陸火星有什么難點？“祝融號”火星車會以何種方式探索火星？背后又有什么故事呢？

圖片來源于：中國航天科技集團五院

　　著陸火星經歷“黑色九分鐘”

　　被火星成功捕獲以后，天問一號經過幾個月的充分準備，終于開啟了第二階段任務——“著陸”。火星的北半球多平原，南半球多山地，因此此次天問一號著陸巡視器軟著陸火星的地點，就選擇在火星北半球的烏托邦平原南部。

　　整個降落過程大致分為進入——減速——軟著陸三步，簡稱為EDL（Entry， Descent，Landing）。據中國航天科技集團五院總體設計部火星探測器總體主任設計師王闖介紹，天問一號在進入火星大氣層以后首先借助火星大氣，進行氣動減速，這個過程它克服了高溫和姿態偏差。氣動減速完成后，天問一號的下降速度也減掉90%左右。

　　“緊接著天問一號打開降落傘進行傘系減速，當速度降至100m/s時，天問一號通過反推發動機進行減速，由大氣減速階段進入動力減速階段。”王闖介紹，在距離火星表面100米時，天問一號進入懸停階段，完成避障和緩速下降后，著陸巡視器在緩沖機構的保護下，抵達火星表面。總的來說，整個過程天問一號要在9分鐘內從約2萬千米/小時的速度降至到0米/小時。

　　值得一提的是，雖然此前中國已有月表著陸經驗，但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（火星表面大氣的密度是地球表面大氣密度的1%左右），火星環境比月球更復雜；另一方面火星離地球距離更加遙遠，通信時延單程達到20分鐘左右，因此在整個著陸過程，相距遙遠的地球科學家們來不及做任何處置，只能靠天問一號自主完成這“黑色九分鐘”。

圖片來源于：中國航天科技集團五院

　　13個載荷助天問一號探索火星

　　成功著陸后，天問一號“繞”“著”“巡”的串聯任務終于進行到最后一步。著陸后，天問一號進入艙將著陸信息通過環繞器轉發地面。進入艙和“祝融號”火星車先后完成坡道及太陽翼天線展開，“祝融號”火星車將在第一時間將成功展開的消息傳回地面。一切準備就緒后，火星車將自主駛離進入艙，抵達火面，開始新的征程。

　　探測火星不僅是工程任務的突破，更是行星科學領域的突破。除了常規的通信、能源（太陽能帆板）、支撐結構、動力系統等部分外，天問一號整體上攜帶了13個科學載荷，其中7個在火星上空的環繞器上，6個分布在火星車上。

　　據介紹，天問一號環繞器搭載的7個科學載荷分別是中分辨率相機、高分辨率相機、次表層探測雷達、火星礦物光譜探測儀、火星磁強計、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀。而6個分布在火星車上的科學載荷，則分別為多光譜相機、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。

　　據專家介紹，這些科學載荷有著五大使命，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，將給中國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有關溫度、氣壓、風速和風向的大氣數據，并研究火星的磁場和重力場，這些也將解答大眾的好奇，如火星究竟是什么樣的氣候。

圖片來源于：中國航天科技集團五院

　　“祝融號”如何“荒野求生”？

　　此前，中國首次火星探測任務總設計師張榮橋曾對外公布“祝融號”火星車的配置細節：火星車質量約240公斤，為6輪獨立驅動，攜帶6臺載荷，其太陽翼呈蝴蝶翼形。因此有人形象地將“祝融號”火星車比喻為“火星蝴蝶”。

　　火星環境是出了名的惡劣，要想完成使命，“祝融號”火星車必須足夠強大，努力“活下來”。中國曾數次造訪月球，積累了寶貴經驗。但月球與火星最大的不同，在于月表近乎真空，而火星有大氣層，這大大增加了探索火星的難度。

　　從以往火星探測器拍攝的圖片來看，火星的地貌似乎與地球上的沙漠戈壁無異。但事實上，火星上的風速可達每秒180米，這幾乎是地球上特大臺風風速的三倍多。這如野獸般兇暴的烈風會掀起大量的沙塵、石塊，形成特大沙暴。讓“祝融號”火星車的“眼睛”蒙塵，“翅膀”不再靈活。面對這種情況，設計師使用了一種新型材料，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，這就使得火星車的行駛需要更加“小心翼翼”，以免被障礙物卡住造成操作的遲滯。那如何才能火星車的每一步都走得更加穩妥呢？設計師們也想出了應對之策。在中國航天科技集團五院的實驗室中，有一臺與“祝融號”一模一樣的火星車。當“祝融號”在火星上遇到復雜路況時，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指令。

　　按照計劃，在緊張工作90個火星日后，“祝融號”火星車將結束巡視探測工作，天問一號環繞器也將進行軌道調整，從而開展環繞科學探測。

　　“一只南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場龍卷風。”曾有學者用上述語言形容“蝴蝶效應”。如今，“祝融號”這只全球矚目的“火星蝴蝶”已成功著陸火星，后續又會帶給我們什么意外驚喜，讓我們一起拭目以待吧。

　　天問一號“探火”之旅有這些“神器”護身

　　在“探火”旅途上，中國航天科工集團研制生產的相控陣敏感器、納米氣凝膠材料、加速度計等“神器”，為天問一號開展火星環繞、著陸和巡視探測作出重要貢獻。

中國航天科工二院相控陣敏感器研制團隊。　航天科工供圖

　　中國相控陣敏感器首次亮相太空

　　天問一號火星探測器一次實現火星環繞、著陸和巡視探測，其中探測器著陸是本次火星探測任務的關鍵環節。航天科工二院25所自主研發的相控陣敏感器首次實現地外天體著陸測量，在天問一號著陸火星過程中發揮關鍵作用。

　　相控陣敏感器能夠精準測量探測器相對于火星表面的距離、速度等信息，用于著陸器發動機減速、懸停和軟著陸控制，保障探測器平穩著陸火星表面。

　　目前國際普遍使用的著陸雷達，需要多個雷達天線實現不同方向的測量，而該型相控陣敏感器使用一套天線即可實現120°視場內任意方向的精確測量，極大降低了產品重量和體積。此前，研制團隊開展了一系列地面試驗模擬火星地貌和氣候，充分驗證相控陣敏感器在火星不同光照、溫度、揚塵等條件下的工作精度和可靠性。

中國航天科工三院33所技術人員正在潔凈間裝配加速度計。 航天科工供圖

　　“定制化設計”保障平穩著陸

　　應用降落傘減速是確保探測器平穩著陸的關鍵環節之一，任務前期需要開展試驗進行反復驗證。航天科工三院三部研制的“定制化”火箭制導艙，成功將4發試驗火箭準確控制到試驗預定高度、速度和姿態角窗口，有效驗證了探測器著陸降落傘的各項指標。據悉，三部自主研制的試驗火箭一體化制導艙，能夠在初始發射階段和30km以上高度飛行時實現火箭姿態的精準穩定控制。

　　天問一號離軌著陸階段，三院33所研制的加速度計能夠提供準確的加速度測量信息，幫助著陸巡視器實時獲取速度、位置等信息，保障著陸巡視器GNC(制導導航與控制分系統)的自主慣性導航精度，為順利著陸提供重要前提。

　　天問一號著陸過程中，環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，每個環節都需要“定制化”的解鎖分離裝置來實現。航天科工三院111廠為此次任務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項裝備，這些關鍵部件實現了著陸巡視器與環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。

　　為天問一號運行保駕護航

　　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，航天科工三院306所為天問一號研制了兩類高性能納米氣凝膠材料，以其高效防寒隔熱功能為火星探測任務保駕護航。耐高溫納米氣凝膠隔熱組件用于阻隔著陸發動機產生的高達1200℃的高溫熱流，保護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、制導系統、控制系統研制生產了系列晶體元器件產品。晶體元器件體積雖小，卻可以為電子設備提供穩定的頻率信號，因此常被稱為電子設備的“心臟”。203所研制生產的晶體元器件產品具有可靠性高、性能指標優、環境適應性好等特點，很好地滿足了探測器在太空中長時間飛行的需要。

　　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研制生產的連接器、繼電器產品超過6000只(套)，在相關系統中承擔信號傳輸、信號控制與信號通斷等作用，成為電信號傳輸系統的“神經樞紐”。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生產的數以萬計高強度、高性能緊固件產品，在提高探測器耐高低溫、抗疲勞等綜合性能方面發揮了重要作用。

　　據悉，后續火星車將與著陸平臺解鎖分離，開啟火星巡視探測任務。航天科工所屬航天江南航天電器公司“定制化”設計研發了矩形分離連接器和射頻脫落連接器，實現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構部件可靠分離的關鍵部件。

　　走出“搖籃” 神器助力

　　要想走出“搖籃”，走入未知的深空，“天問一號”必須學習自己面對。中國航天科技集團八院控制所火星環繞器導航、制導與控制分系統(GNC)研制團隊，給天問一號裝備了明亮的眼睛、靈巧的雙臂和聰明的大腦，使“天問一號”具有自己觀察、自我決斷和自主執行的能力。

效果圖。 中國航天科技集團八院 供圖

　　多雙眼睛，感知方向與鎖定位置的保證

　　要想去往火星，“天問一號”得先知道自己朝向哪里(探測器飛行姿態)和自己處在哪里(探測器軌道位置)，否則非得鬧出南轅北轍的笑話不可。“天問一號”上裝配有多臺星敏感器，如同一雙明亮眼睛，星敏感器始終緊盯著深空中的恒星，通過比對自身看到的恒星與導航星表中恒星的相對姿態，就知道自己朝向何方了。然而，系外恒星相對于探測器的距離都是無窮遠，也就是說，無論“天問一號”飛離地球多遠，這幾億公里的距離相對于那些恒星來說，完全可以忽略，因此利用恒星來精確計算探測器飛行姿態的時候，無法得知探測器自己的位置。

　　為了提高探測器的自主導航能力，還需要借助另一雙慧眼——光學導航敏感器和紅外導航敏感器，這兩款導航敏感器將火星作為導航的“燈塔”，通過這雙眼睛對火星“拍照”，從圖像中計算火星幾何中心的位置和火星視半徑的大小，結合火星的星歷和導航濾波算法，就能計算出“天問一號”相對于火星的位置和速度，“天問一號”從而就知道自己在哪里了。

　　三頭六臂，精準計算和可靠決策的秘訣

　　環繞器的大腦——GNC單元，采用三套獨立CPU同步計算、三機相互診斷的方式運行。

　　“天問一號”飛行姿態測量和控制、軌道修正、制動捕獲等功能必須兼顧精度、可靠性和自主性的三重要求。為此，環繞器的這臺三機模式同步運行的“大腦”，設計了精確的時間對準機制，保證三臺獨立的CPU可以實現復雜運算過程的同步計算和結果輸出、彼此數據的同步交互和故障診斷、以及控制模式的同步轉換。

　　目前，“天問一號”已經正常穩定飛行了10個月，精確地完成了四次中途修正、火星制動捕獲和環火軌道調整等關鍵動作，時刻保障著探測器的太陽能源、對地通訊和飛行姿態的穩定。

　　三省吾身，自主運行和完成任務的法寶

　　我的狀態還好嗎？了解自己是第一步。飛行過程中環繞器GNC分系統時時刻刻都在檢查自己的眼睛、臂膀和大腦。每雙眼睛看到的是否準確、每只手臂運動得是否正常、自身大腦運轉是否清醒等，環繞器GNC采用三重自主故障診斷和重構策略來確保其穩妥運行。

　　針對火星探測這樣的高難度任務，單機的可靠性是前提。每個元器件都經過了層層篩選，每一臺單機均完成了力學振動、高低溫和空間環境等可靠性試驗。結合三重診斷與重構保障，即使有超出預期的一些故障發生，也不會影響整個任務的正常執行。

　　“天問一號”火星探測飛行通訊時延的特殊性，使其自身必須具備精確判斷出是否完成既定任務的能力。據稱，“天問一號”在軌飛行控制過程中，通過多重修正措施，確保“大腦”能夠準確判斷出任務是否執行結束。