2021年5月15日7時18分，我國科研團隊根據(jù)“祝融號”火星車發(fā)回遙測信號確認，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，計劃通過一次任務(wù)實現(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載火箭在海南文昌成功發(fā)射；2021年2月10日，成功實施火星捕獲，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星；2月24日，進入火星停泊軌道，開展了為期約3個月的環(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，我國成為第二個成功著陸火星的國家，實現(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，有哪些我國獨立自主研發(fā)的黑科技在保駕護航？
中國航天科工集團有限公司有關(guān)專家向記者介紹了該集團研制生產(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、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入艙著陸平臺的下方，作用范圍達數(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入火星大氣后，距火星表面約 7公里高度時開始工作，持續(xù)提供相對于火星表面多個方向的距離、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多公里的高空進入火星大氣，時速高達每秒5.9公里，要在短短7分鐘的時間內(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，相控陣體制的雷達天線由多個輻射單元組成，就像生物學(xué)中蜻蜓的復(fù)眼，具有波束掃描快、指向靈活、目標容量大、抗干擾能力強等特點?！睂O武詳細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個方向同時測量距離速度信息，從而快速修正航天器的姿態(tài)測量誤差，準確地找到火星的水平面，確保著陸器的方向控制準確無誤?！?/p>
相控陣敏感器主任設(shè)計師劉佳透露，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，航天器會因減速沖擊發(fā)生劇烈擺動，是影響著陸成敗的關(guān)鍵時刻。
“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，同時部分測量信號會打到地平線以上，出現(xiàn)檢測不到目標的情況?！眲⒓颜f，“對相控陣敏感器來說，就像在快速蕩秋千時，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強保障。
此外，火星上時常會發(fā)生劇烈的塵暴天氣，在巡視著陸器靠近火星表面時，航天器發(fā)動機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)計師徐秋鋒說，“在這個前提下，產(chǎn)品在信號頻段選擇上做了充分的對比和論證，采用多種算法進行了綜合優(yōu)化，并在沙漠戈壁通過直升機氣流模擬試驗了在沙塵暴天氣中的工作狀態(tài)，確保測量的可靠性。”
深空探測任務(wù)的特點決定火星探測器需要在太空長時間工作，因而對自身的重量和體積提出了極為嚴苛的要求。目前國際普遍使用的著陸雷達，需要多個雷達天線實現(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。“相當于用 1套設(shè)備完成9套傳統(tǒng)設(shè)備的功能。”設(shè)計師賈學(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)。”
“定制化設(shè)計”：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，需要開展試驗反復(fù)驗證。
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)試驗火箭準確控制到試驗預(yù)定高度、速度和姿態(tài)角窗口，有效驗證了探測器著陸降落傘的各項指標。試驗火箭一體化制導(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，實現(xiàn)對火箭姿態(tài)的精準穩(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提供了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(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。
加速度計本次主要有兩項任務(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，實時“感知”運動過程中的姿態(tài)信息，從而為火星車安全平穩(wěn)地巡視火星表面保駕護航。
本次執(zhí)行任務(wù)的加速度計與此前在神舟系列飛船、探月工程等任務(wù)作出貢獻的加速度計屬同一系列。
技術(shù)人員透露，在設(shè)計方案上，對本次執(zhí)行任務(wù)的加速度計繼續(xù)保持了對溫度控制、密封等環(huán)節(jié)的嚴密把控。任務(wù)前，還曾特意模擬火星環(huán)境對加速度計進行了低于零下100攝氏度的工作測試。測試顯示，在這遠超正常工作溫度的環(huán)境下，加速度計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，每個環(huán)節(jié)都需要“定制化”的解鎖分離裝置來實現(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項裝備。這些關(guān)鍵部件實現(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)定安全運行保駕護航
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。
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、極熱等嚴酷環(huán)境所需熱防護材料的不二之選。
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載。耐高溫納米氣凝膠隔熱組件用于阻隔著陸發(fā)動機產(chǎn)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(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、性能指標優(yōu)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點，能很好地滿足探測器在太空中長時間飛行的需要。
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、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)以萬計高強度、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)計研發(fā)了矩形分離連接器和射頻脫落連接器，實現(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)機構(gòu)，另一部分用于離合器機構(gòu)，二者相互配合，使得火星車能夠精準調(diào)節(jié)車體姿態(tài)以適應(yīng)火星表面地形地貌。同時，安裝在火星車上的加速度計隨時為GNC提供測量信息，確?；鹦擒囈苿拥倪^程中能夠隨時精準“感知”速度、位置，為火星車安全平穩(wěn)地開展工作保駕護航。
面向十四五，團隊提出了“更高性能、更多功能”的研究目標。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)當中；面向國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場，團隊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)域擴大應(yīng)用，為碳達峰和碳中和做出貢獻。
回首60載，中國航天，逐月追星，步履從未停歇；放眼未來，每一個航天材料人都將不忘初心、砥礪前行，為下一個十年的空天征途續(xù)寫新的輝煌篇章。
