獻(xiàn)給建黨百年華誕的科技大禮

袁臻睿

在人類對(duì)浩渺宇宙不斷探索的歷史上，太陽(yáng)系的火星總是給人無(wú)限期待與遐想。2021年5月15日7時(shí)18分，在距離地球3.2億千米之外，這份遐想就伴隨著中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”穩(wěn)穩(wěn)著陸在火星烏托邦平原南部預(yù)選區(qū)，漸次轉(zhuǎn)變?yōu)榱钍澜珞@嘆的客觀現(xiàn)實(shí)，從而也揭開(kāi)了這顆“紅色星球”曾經(jīng)神秘的面紗。

我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得成功！中國(guó)航天再次迎來(lái)歷史性時(shí)刻！

“在迎來(lái)建黨一百周年之際，‘天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器著陸火星取得成功，我代表黨中央、國(guó)務(wù)院和中央軍委，向你們致以熱烈的祝賀和誠(chéng)摯的問(wèn)候！”習(xí)近平總書(shū)記發(fā)來(lái)賀電，“‘天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器著陸火星，邁出了我國(guó)星際探測(cè)征程的重要一步，實(shí)現(xiàn)了從地月系到行星際的跨越，在火星上首次留下中國(guó)人的印跡，這是我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展的又一具有里程碑意義的進(jìn)展。你們勇于挑戰(zhàn)、追求卓越，使我國(guó)在行星探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)入世界先進(jìn)行列，祖國(guó)和人民將永遠(yuǎn)銘記你們的卓越功勛！”

總書(shū)記發(fā)來(lái)賀電，令中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)總設(shè)計(jì)師張榮橋和他的團(tuán)隊(duì)都流下了激動(dòng)的眼淚?！拔覀兘?jīng)過(guò)了6年的研制生產(chǎn)，在發(fā)射場(chǎng)堅(jiān)持了110多天，發(fā)射之后向著火星飛行了202天，之后在環(huán)火軌道又日夜堅(jiān)守了93天，為的就是今天的成功著陸，我們?nèi)缙趯?shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)，完成了對(duì)國(guó)家的承諾?！笨傇O(shè)計(jì)師張榮橋如是說(shuō)。他深知“天問(wèn)一號(hào)”成功的背后凝聚著全國(guó)各行各業(yè)科技自主創(chuàng)新豐厚的資源支撐：“這也是我們國(guó)防科技工作者獻(xiàn)給建黨百年華誕的一份科技大禮！”

在“迎來(lái)建黨一百周年之際”這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)背后，蘊(yùn)含著歷史唯物主義的強(qiáng)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(shí)力的表達(dá)，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(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)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(wèn)一號(hào)”探測(cè)器的成功之路，人們又怎能不感慨萬(wàn)千呢！曾幾何時(shí)，到火星去是我們遙不可及的夢(mèng)想。但中國(guó)航天的發(fā)展之路表明，航天事業(yè)作為一個(gè)國(guó)家高科技實(shí)力的代表，只有通過(guò)實(shí)施國(guó)家重大工程引領(lǐng)，才能在世界日趨激烈的科技競(jìng)爭(zhēng)中勇立潮頭。

歷史的豐碑鐫刻著這樣的征程。我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)立項(xiàng)于2016年。時(shí)任月球探測(cè)工程總指揮欒恩杰坦言：“即使以我國(guó)目前的載人航天和月球探測(cè)工程等科技實(shí)力來(lái)衡量，高質(zhì)量發(fā)射第一顆火星探測(cè)衛(wèi)星也是一項(xiàng)復(fù)雜的深空探測(cè)系統(tǒng)工程，具有相當(dāng)?shù)目茖W(xué)難度和工程技術(shù)難度，需要全國(guó)各行各業(yè)豐厚的科技自主創(chuàng)新資源和雄厚的國(guó)家實(shí)力作為支撐。”特別是當(dāng)年就規(guī)劃著要能夠一次性實(shí)現(xiàn)環(huán)繞、著陸、巡視火星探測(cè)任務(wù)。而這種形式在目前已知的國(guó)外火星探測(cè)實(shí)踐中史無(wú)前例。國(guó)外曾經(jīng)有過(guò)嘗試“環(huán)繞與著陸并行”的案例，但多以失敗告終?？梢?jiàn)，中國(guó)火星探測(cè)工程計(jì)劃一次性完成“繞、落、巡”三項(xiàng)任務(wù)，具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。

火星探測(cè)的科研與工程技術(shù)難度，加之26個(gè)月才能遇到一個(gè)發(fā)射時(shí)間窗口的特殊性，要求我國(guó)的航天科學(xué)家和工程技術(shù)專家們必須以高度的責(zé)任心、時(shí)不我待的緊迫感，科學(xué)確定并嚴(yán)密制訂工程計(jì)劃，全力爭(zhēng)取在2020年這一時(shí)間窗口，成功發(fā)射我國(guó)第一個(gè)火星探測(cè)器。

“這是我們經(jīng)過(guò)艱苦努力和科技自主創(chuàng)新，跳一跳完全能夠摘到手的桃子！”時(shí)為中國(guó)航天科技集團(tuán)五院火星項(xiàng)目顧問(wèn)的葉培建院士在央視新聞?lì)l道《面對(duì)面》欄目中直言，“如果我們?cè)俨蛔ゾo中國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃的組織實(shí)施，我們將愧對(duì)后人！”

“恐怖9分鐘”的嚴(yán)峻考驗(yàn)

自2020年7月23日“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在海南文昌由長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭成功發(fā)射以來(lái)，她在地火轉(zhuǎn)移階段先后完成了1次深空機(jī)動(dòng)和4次中途修正，并于2021年2月10日成功實(shí)施火星捕獲，進(jìn)入大橢圓環(huán)火軌道，成為我國(guó)第一顆人造火星衛(wèi)星。2月24日，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器成功實(shí)施第三次近火制動(dòng)，進(jìn)入火星停泊軌道，開(kāi)展了為期92天的環(huán)繞探測(cè)，對(duì)火星開(kāi)展全球遙感探測(cè)，并對(duì)預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行詳查，探測(cè)分析地形地貌、沙塵天氣等，為順利著陸火星奠定了基礎(chǔ)。

而著陸火星是此次“天問(wèn)首旅”的最大挑戰(zhàn)?！捌潆y度被形容為相當(dāng)于從巴黎打一個(gè)高爾夫球，正好落到東京的洞里。”因此，這個(gè)過(guò)程又被稱為最為兇險(xiǎn)、最為驚心動(dòng)魄的“恐怖9分鐘”。目前已知的人類火星探測(cè)任務(wù)成功率僅有50% 左右，就是因?yàn)榇蟛糠趾教炱鞫颊坳凇斑M(jìn)入/下降/著陸（簡(jiǎn)稱EDL）”階段。

“火星探測(cè)最大的難點(diǎn)就是EDL，這個(gè)過(guò)程需要融合氣動(dòng)外形、降落傘、發(fā)動(dòng)機(jī)、多級(jí)減速和著陸反沖等多項(xiàng)技術(shù)才能實(shí)施軟著陸。每個(gè)環(huán)節(jié)都必須確保精準(zhǔn)無(wú)誤，差一秒都可能造成整個(gè)任務(wù)的失敗?！焙教炜萍技瘓F(tuán)五院“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器總設(shè)計(jì)師孫澤洲如是說(shuō)。

雖然此前我國(guó)已有月表著陸經(jīng)驗(yàn)，但是此次“天問(wèn)一號(hào)”火星軟著陸任務(wù)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(shí)火星與地球相距約3.2億千米，通信時(shí)延達(dá)到20分鐘，如此遙遠(yuǎn)的距離讓地控中心根本來(lái)不及對(duì)整個(gè)著陸過(guò)程做任何處置，所有的艱難處置都只能靠“天問(wèn)一號(hào)”自主完成。

整個(gè)著陸過(guò)程是這樣記錄的：5月15日凌晨4時(shí)許，由中國(guó)航天科技集團(tuán)五院研制的“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器成功實(shí)施兩器（環(huán)繞器、著陸巡視器）分離;由中國(guó)航天科技集團(tuán)八院研制的環(huán)繞器則在釋放著陸巡視器后再次返回環(huán)火軌道，成為著陸巡視器與地球的通信中繼站，同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行火星環(huán)繞探測(cè)。環(huán)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(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)、兩器分離姿態(tài)建立、兩器分離后軌道升高發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)等系列動(dòng)作。“可以說(shuō)，器器分離的過(guò)程是對(duì)控制算法精度、產(chǎn)品工作可靠性、故障預(yù)案周密性等最充分的考驗(yàn)?！?/p>

3小時(shí)后，著陸巡視器成功穿越并借助火星大氣，進(jìn)行氣動(dòng)減速;這套動(dòng)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(gè)過(guò)程中，它克服了高溫和姿態(tài)偏差，打開(kāi)降落傘，實(shí)施傘系減速降速;當(dāng)速度降至100米/秒時(shí)，著陸巡視器通過(guò)反推發(fā)動(dòng)機(jī)再次減速，即由大氣減速階段進(jìn)入動(dòng)力減速階段。在距離火星地表100米時(shí)，“天問(wèn)一號(hào)”進(jìn)入懸停階段，著陸巡視器在緩沖機(jī)構(gòu)的保護(hù)下，實(shí)現(xiàn)在火星表面軟著陸。整個(gè)著陸過(guò)程，“天問(wèn)一號(hào)”的速度在9分鐘內(nèi)從約2萬(wàn)千米/時(shí)降至零。成功軟著陸的中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”在火星烏托邦平原南部穩(wěn)穩(wěn)屹立。

支撐“天問(wèn)一號(hào)”瀟灑著陸的科技力量

國(guó)防科技工業(yè)及相關(guān)行業(yè)在首次火星探測(cè)任務(wù)中發(fā)揮出全國(guó)大協(xié)作精神。僅以中國(guó)電科為例，為全面保障“天問(wèn)一號(hào)”成功著陸火星，他們發(fā)揮了科學(xué)載荷、測(cè)控通信系統(tǒng)方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提供了大量設(shè)備和技術(shù)支持。如配套研發(fā)的我國(guó)首款環(huán)繞器雷達(dá)，作為7個(gè)火星環(huán)繞器探測(cè)設(shè)備之一，為火星探測(cè)加裝了一雙慧眼，使精準(zhǔn)探測(cè)不再是難題;如配備的系列測(cè)控設(shè)備，為火星探測(cè)器在茫?！靶浅酱蠛！敝袦y(cè)軌定位保駕護(hù)航;研發(fā)的鋰氟化碳電池組，實(shí)現(xiàn)了鋰氟化碳電池在深空探測(cè)器上首次應(yīng)用，有效減少了電源產(chǎn)品高溫下的自放電率，實(shí)現(xiàn)了能量在軌長(zhǎng)期貯存;配套的電機(jī)、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(guān)鍵核心元器件，滿足了火星探測(cè)組件小型化、高可靠的要求。

又如“天問(wèn)一號(hào)”在以完美角度切入火星大氣時(shí)，巨大的通信時(shí)延，使地面測(cè)控設(shè)備無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)著陸器（含火星車）在最后“落火”階段進(jìn)行測(cè)控而陷入“黑暗時(shí)間”。為了讓“黑暗時(shí)間”不再黑暗，中國(guó)電科對(duì)系列深空測(cè)控站進(jìn)行研發(fā)升級(jí)，以更好的性能執(zhí)行地面遙控、遙測(cè)、高精度目標(biāo)導(dǎo)航及數(shù)據(jù)接收等任務(wù)。通過(guò)組陣技術(shù)，他們將4 套35 米深空天線進(jìn)行組陣合成，這也是我國(guó)首個(gè)35 米深空探測(cè)天線陣，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)在4 億千米以外的火星探測(cè)器進(jìn)行極高靈敏度的微弱信號(hào)組陣接收，極大增強(qiáng)地面系統(tǒng)的接收能力。該組陣系統(tǒng)采用高性能的實(shí)時(shí)及事后多天線信號(hào)組陣合成算法，通過(guò)多天線系統(tǒng)的綜合資源調(diào)度以及任務(wù)管理，實(shí)現(xiàn)天線單元間高同步高精度的時(shí)頻信號(hào)分發(fā)以及數(shù)字化采樣，從而為“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器傳回的微弱信號(hào)提供高質(zhì)量接收服務(wù)。

除4套35米深空天線組陣系統(tǒng)，中國(guó)電科還研制了亞洲最大單口徑70米全可動(dòng)天線。該天線具備穩(wěn)定接收微弱人造數(shù)據(jù)信號(hào)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(wèn)一號(hào)”探測(cè)器傳回的科學(xué)數(shù)據(jù)提供堅(jiān)實(shí)保障。為保證天線指向精度，研制團(tuán)隊(duì)采用了多電機(jī)控制、抗陣風(fēng)擾動(dòng)以及多參數(shù)指向標(biāo)定修正等多項(xiàng)新技術(shù)，使天線指向精度大幅提升。他們還采用了副面賦形和實(shí)時(shí)吻合、反射體溫度場(chǎng)控制等多個(gè)專項(xiàng)技術(shù)，提高了天線主反射面面形精度。此外，根據(jù)火星探測(cè)任務(wù)各弧段應(yīng)用場(chǎng)景，中國(guó)電科對(duì)佳木斯66m深空測(cè)控站進(jìn)行了適應(yīng)性改造。改造后，其與喀什深空測(cè)控站、阿根廷深空測(cè)控站協(xié)同工作，形成全球覆蓋，全力保障火星探測(cè)任務(wù)的完成。采用DOR（差分單向測(cè)距）等方式與其他深空站協(xié)同進(jìn)行干涉測(cè)量形成軌道預(yù)報(bào)，經(jīng)過(guò)連續(xù)數(shù)天降軌參數(shù)試算確定進(jìn)入大氣初始點(diǎn)位置;降軌機(jī)動(dòng)前約8小時(shí)，在佳木斯深空站測(cè)控弧段內(nèi)，地面注入進(jìn)入大氣初始點(diǎn)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)等關(guān)鍵指令，引領(lǐng)著陸器完成避障并安全著陸。為全部有效利用“降火”數(shù)據(jù)，獲取更多關(guān)于落火初始階段著陸器信息，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)據(jù)慢幀處理策略的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低碼率數(shù)傳信號(hào)接收功能，做到信息首幀輸出即能上報(bào)，提高信息有效幀數(shù)量，得到更多關(guān)于著陸巡視器降落時(shí)的寶貴信息。

“祝融號(hào)”有效展開(kāi)火星巡視探測(cè)

火星探測(cè)是一項(xiàng)科學(xué)探索性強(qiáng)的工程，到達(dá)火星后的“祝融號(hào)”火星車如何有效獲取科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于科學(xué)研究來(lái)說(shuō)極其重要。

“天問(wèn)一號(hào)”成功著陸后，她首先將著陸信息通過(guò)環(huán)繞器轉(zhuǎn)發(fā)地面。然后，著陸器和將執(zhí)行巡視任務(wù)的“祝融號(hào)”火星車先后完成坡道及太陽(yáng)翼天線展開(kāi)，“祝融號(hào)”在第一時(shí)間將成功展開(kāi)的消息傳回地面。一切準(zhǔn)備就緒后，根據(jù)地面指令，“祝融號(hào)”自主駛離著陸器平臺(tái)，平穩(wěn)抵達(dá)火星地表，開(kāi)始首輪巡視征程。

受到火星苛刻環(huán)境的影響，“祝融號(hào)”的巡視以3 天為一個(gè)工作周期。如遭遇強(qiáng)風(fēng)掀起大量沙塵、石塊，形成特大沙暴，對(duì)“祝融號(hào)”的生存會(huì)造成嚴(yán)峻考驗(yàn)。針對(duì)這樣的情況，設(shè)計(jì)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(guò)振動(dòng)將其抖落?；鹦潜砻孢€密布著石塊等障礙物，“祝融號(hào)”的行駛需要更加“小心翼翼”。為此，科學(xué)家們?cè)诒本┑暮教煳逶簩?shí)驗(yàn)室中，設(shè)置有一臺(tái)與“祝融號(hào)”一模一樣的火星車。當(dāng)“祝融號(hào)”遇到火星復(fù)雜路況時(shí)，地球上的火星車將對(duì)火星路況進(jìn)行模擬行駛，確認(rèn)無(wú)誤后才會(huì)發(fā)出行進(jìn)指令。但即或是這樣，“祝融號(hào)”火星車每次也只能“工作”一兩個(gè)小時(shí)，工作內(nèi)容主要包括環(huán)境感知、科學(xué)探測(cè)、數(shù)據(jù)下傳等。

“祝融號(hào)”火星車上搭載了6臺(tái)載荷，分別是多光譜相機(jī)、次表層探測(cè)雷達(dá)、火星表面成分探測(cè)儀、火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀、火星氣象測(cè)量?jī)x、地形相機(jī)。它們共有五大使命，主要涉及火星空間環(huán)境、地表形貌特征、土壤表層結(jié)構(gòu)等研究，將帶來(lái)火星的第一手資料。其中，與氣象有關(guān)的研究項(xiàng)目將收集溫度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向的大氣數(shù)據(jù)，并研究火星的磁場(chǎng)和重力場(chǎng)。

5月19日，國(guó)家航天局發(fā)布我國(guó)首次火星探測(cè)“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)執(zhí)行圖像，包括探測(cè)器著陸過(guò)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(tái)和“祝融號(hào)”火星車的駛離坡道、太陽(yáng)翼、天線等機(jī)構(gòu)展開(kāi)正常到位。在陸續(xù)發(fā)布令世界驚喜的更多圖像后，國(guó)家航天局宣布：“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)圓滿成功！同時(shí)指出：這只是我國(guó)“行星探測(cè)重大工程”整體規(guī)劃中的第一次任務(wù)，后續(xù)還規(guī)劃了小行星探測(cè)、火星取樣返回、木星系及行星穿越探測(cè)。相信未來(lái)的深空探測(cè)會(huì)給國(guó)人帶來(lái)更多值得期待的傳奇故事，為探索宇宙奧秘、促進(jìn)人類和平與發(fā)展的崇高事業(yè)作出新的更大貢獻(xiàn)！