航天專家揭秘中國探火科技創(chuàng)新

鄭蔚

1182米！這是我國“祝融號”火星車創(chuàng)下的火面行走最新記錄。中國航天科技集團有限公司第五研究院“天問一號”火星探測器總設(shè)計師孫澤洲日前告訴記者，這是至9月7日止“祝融號”累計的里程數(shù)，目前火星車已圓滿完成規(guī)定的90個火星日的巡視探測任務(wù)。

“祝融號”是我國著陸火面的第一輛火星車，它的巡視探測任務(wù)成功完成，宣告了我國首次探火就創(chuàng)下了“繞、著、巡”三項任務(wù)一次完成的世界紀錄。

直到今年年初，火星上著陸的8個探測器都是美國人研制的。10年前，擔任美國眾議院撥款委員會主席的共和黨眾議員沃爾夫，鼓動美國國會出臺了禁止與中國進行航天合作的立法，禁止美中兩國之間發(fā)生任何航天科研活動。而更早前，美方就對華實施各種出口管制，并嚴格限制在衛(wèi)星技術(shù)以及國防領(lǐng)域的合作。2011年“沃爾夫條款”推出后，美方更是以法律法規(guī)的形式對中美航天合作嚴加限制。

這就不難理解中國探火每一步的成功都來之不易。肩負重任的我國航天科學家面臨著怎樣的挑戰(zhàn)和風險，他們又是如何堅持科技自立自強，精心推進這一重大工程的呢？日前，記者采訪了孫澤洲總設(shè)計師以及他領(lǐng)導的研發(fā)團隊。

“天問一號”火星探測器于2020年7月23日發(fā)射升空，在它長達4.74億公里的探火實際飛行過程中，航天專家們什么時候最緊張？

航天五院探火團隊幾乎所有專家的答案都是一樣的：最緊張的是今年5月15日早晨七八點鐘它沖進火星大氣層著陸的那一刻，又叫“恐怖9分鐘”。

其實，從5月13日起，孫澤洲他們就有四五十個小時沒有好好睡過覺，心弦繃得太緊了。最累的時候，抽空瞇一會兒，不用同事叫，猛地一個激靈就自己醒了。自探火項目2016年立項以來，整整5年多的時間，盼的就是把“祝融號”駛上火面這一刻！

進入艙總體主任設(shè)計師董捷告訴記者，“天問一號”環(huán)繞器和著陸巡視器先執(zhí)行降低近火點高度的變軌，約3小時后完成兩器分離，著陸巡視器經(jīng)巡航飛行后以25馬赫的高速進入火星大氣層。這一每秒4.8公里的速度雖然低于神舟飛船返回艙再入大氣層的速度，且火星大氣層的密度也只有地球大氣層密度的1%，但它依然會產(chǎn)生1000℃的高溫。而且，火星大氣的組分與地球大氣的組分不同，它二氧化碳占了95%、還富含氮氣、氬氣、甲烷等物質(zhì)。高溫燒蝕下，進入艙的化學和物理反應將更加復雜，為此采用了能有效保護進入艙特殊需求的抗燒蝕材料。

為什么我們已經(jīng)有了成熟的月面著陸的經(jīng)驗，對在火面著陸還如此審慎？董捷說，兩者差別很大。首先，月球沒有大氣，因此落月過程為發(fā)動機反噴和緩沖裝置著陸這2個階段：先通過著陸器提供的主動動力，將著陸器的速度從每秒1.7公里降到每秒1-2米，最后依靠著陸器本身的緩沖裝置完成在月面著陸。

而火星有一個稀薄的大氣層包裹，雖然密度只有地球的1%，但也必須加以利用。所以著陸火星是4個階段：第一階段是氣動減速，利用進入艙的氣動外形進行減速。我們進入艙大底的直徑為3.4米，是人類有史以來第二大的火星進入艙。該階段持續(xù)時間約為279秒，要降低91.8%的降落速度，將速度從原來的每秒4.8公里，降到每秒396米；第二階段，使用降落傘減速，這是我國首次在地外天體應用降落傘減速技術(shù)。它將著陸速度降低到每秒61米；第三階段，使用進入艙的主發(fā)動機減速，其間懸停避障，將速度降到每秒1.5米；最后階段是依靠進入艙著陸緩沖裝置緩沖減速。這4個階段環(huán)環(huán)相扣，一個階段完成，立即切換進入下一個階段，因此對每個設(shè)備的可靠性和整個系統(tǒng)的可靠性要求極高，只要有一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，下面一系列動作就無法完成。

其次，在火面著陸與在月面著陸的另一個比較大的不同是，月球距離地球30萬公里，信號的時延大約為1秒鐘，因此在著陸的過程中，萬一發(fā)生意外情況，我們地面飛行控制中心還是來得及干預的，所以我們準備了充分的月面著陸故障預案；但火面著陸時，地球火星距離達3.2億公里，時延長達約18分鐘，也就是說，當我們看到環(huán)繞器傳回地球的信息時，事情已經(jīng)在約18分鐘前就發(fā)生了，肯定“無可挽回”了。這是最大的差別，即使準備再多的故障預案都使不上。所以探火團隊必須制定出萬無一失的飛控方案。

進入艙到達預定馬赫數(shù)后，立即打開為落火特制的降落傘?？蓜e小看了火星降落傘的難度，雖說通過神舟載人飛船、嫦娥探月三期月球采樣返回飛船的研發(fā)，我國已掌握了多種返回地球大氣層的降落傘，但火星的大氣非常稀薄，開傘的充氣形狀高頻變化、沖擊載荷大，因此進入地球大氣層的降落傘型并不適用火星。歐洲太空局與俄羅斯聯(lián)合研制的ExoMars2022火星探測器，就因降落傘設(shè)計缺陷導致延期發(fā)射。

為此，航天五院的專家針對進入艙落火時大阻力系數(shù)氣動外形在跨超聲速段固有的不穩(wěn)定性，新研發(fā)了具備能在超音速時快速開傘的鋸齒形前端構(gòu)形、V型雙層結(jié)構(gòu)加強帶“盤-縫-帶”傘。進入地球大氣層的降落傘的打開方式是連續(xù)完成拉出引導傘、減速傘、主傘的動作；而進入艙使用的降落傘沒有引導傘，必須在約2倍火星音速時直接打開用于減速的降落傘?？紤]到傘剛打開時進入艙會出現(xiàn)擺動，研發(fā)團隊還在地球上進行了仿真模擬試驗和針對性設(shè)計，保證了器上所有設(shè)備即使在角速度達到800°/秒的極限狀態(tài)時，仍能精準無誤運行。

“天問一號”的進入艙，與我們之前登月的“嫦三”“嫦四”登月艙有什么區(qū)別呢？火星車總體主任設(shè)計師陳百超告訴記者，“天問一號”是我們中國人首次“探火”，而且要一次性完成“繞、著、巡”的任務(wù)，因此，進入艙的質(zhì)量盡可能輕一些，以盡可能地將有效載荷讓給火星車和它搭載的科學載荷。因此，進入艙沒有攜帶太陽翼。而“嫦三”“嫦四”著陸器隨身攜帶太陽翼，它能在月面持續(xù)保持工作狀態(tài)。沒有太陽翼的進入艙著地后，它的電力主要源于攜帶的電池，所以必須在幾個小時內(nèi)自主完成著地后的一系列工作，而不能等待建立與地球測控中心的聯(lián)系后再由地面發(fā)出指令。

進入艙平安著陸火面后，最重要的就是釋放火星車。但它沒有自主旋轉(zhuǎn)、調(diào)整方向的功能，萬一著陸后發(fā)現(xiàn)前方原定的坡道方向不合適，怎么辦？研發(fā)團隊讓它具有坡道前后方雙向自主展開功能，既可向前方展開，也可向后方展開。通過進入艙對坡度的預估，選擇合適的展開方向。

“祝融號”火星車是向東駛?cè)牖鹈娴?。美國“好奇號”“毅力號”都?噸級以上的火星車，而“祝融號”的質(zhì)量只有240公斤，但它是個“智慧的小個子”，在行駛和越障性能上，與別的火星車不相上下?！昂闷嫣枴蹦芘榔?0°，而30°的坡我們“祝融號”也能爬。

火星表面主要是沙石性土壤，堅硬而尖銳的巖石分布較多，容易損壞車輪。研發(fā)團隊針對性地采用了鋁基碳化硅一體化成型車輪，雖然質(zhì)量較輕，但強度高、而且高耐磨，增強了“祝融號”車輪的可靠性。

火星車一般的時速是多少？陳百超說，如按照它將地面信息傳回地球，地面為它規(guī)劃行走路徑，它再執(zhí)行“盲走”的方式，可以達到200米每小時的速度，如果讓他自己找路行走，可以達到50米每小時速度。

沒有想到的是，2008年5月25日才著陸火星的“鳳凰號”，僅工作了30多天，就因為火星的低溫而“凍死”，地火信號中斷?？梢娀鹦擒嚨谋夭⒎且资隆；鹦谴嬖诖髿馑p，到達火星表面的太陽輻射強度僅為不到0.3個太陽常數(shù)，地球表面每平方米的太陽輻射常數(shù)是1367瓦，而火星表面僅為589瓦。

針對這一挑戰(zhàn)，研發(fā)團隊突破納米氣凝膠材料制備和結(jié)構(gòu)-熱控一體化集成工藝，采用高效太陽能利用技術(shù)，創(chuàng)新實施了“太陽能集熱器”熱控方案。傳統(tǒng)的方式是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再由電能轉(zhuǎn)化為熱能，這個轉(zhuǎn)化過程的轉(zhuǎn)換效率大約為30%；而他們的創(chuàng)新讓太陽的光能直接轉(zhuǎn)化為熱能，轉(zhuǎn)換效率可達到80%左右，并采用了有特殊涂層的吸熱板，吸熱系數(shù)很高而散熱系數(shù)很低。

新研發(fā)的行星際測控通信技術(shù)，是“祝融號”上的又一項科技創(chuàng)新。陳百超說，無線電信號衰減與距離的平方成正比。地球與月球距離30萬公里，地球與火星最遠距離是4億公里，兩者距離相差1000多倍，那信號的衰減就是10002，也就是100萬倍，這意味著同樣的一個信號，從地球到火星的強度比從地球到月球的強度要低100萬倍，所以必須突破數(shù)字化高靈敏度深空應答機技術(shù)，突破高靈敏度高動態(tài)信號接受，我們做到了。

目前，火星在距離地球最遠4億多公里的位置。陳百超說，這種情況每2年出現(xiàn)一次。

在火星軌道上運行的“天問一號”環(huán)繞器和火面上的“祝融號”還面對“火星合日”的考驗。何為“火星合日”？就是太陽對火星的連線與火星對地球的連線兩者之間的夾角較小，又稱進日凌；夾角變大后，為出日凌，這種天文現(xiàn)象大約每26個月出現(xiàn)一次。日凌期間，從地球上看不到火星，因為太陽將其完全遮蔽。而太陽強烈的輻射會干擾甚至切斷地火之間的無線電信號，所以在日凌期間，科學家通常會暫?；鸬赝ㄐ拧?/p>

陳百超說，現(xiàn)在火星正逢夏季，我們還調(diào)整了火星車的朝向，讓它向東，用火星車的桅桿遮擋一部分陽光，在日凌期間給火星車降降溫。

火星夏天的氣溫是多少？陳百超說，火星白天空氣的溫度是-20℃，但火星的地面溫度卻超過10℃。為什么火星空氣溫度和地面溫度的溫差那么大？那是因為火星的空氣密度只有地球的1%。而地球上空氣密度大，所以空氣溫度和地面溫度的溫差通常不會這么大。但到了晚上，即使是夏天火星的地面溫度也會下降到-95℃。為此，“祝融號”又做了必要的保溫措施，使艙內(nèi)保持安全的環(huán)境溫度。

目前雖是日凌期間，“祝融號”暫不執(zhí)行火面巡視及科考任務(wù)，但孫澤洲率領(lǐng)的五院探火團隊，仍在為環(huán)繞器和火星車出日凌后繼續(xù)執(zhí)行探測任務(wù)而精心優(yōu)化設(shè)計方案。

孫澤洲最后對記者說，“天問一號”火星探測任務(wù)圍繞“火星表面土壤特征與水冰分布”等五大科學目標，開展環(huán)繞探測和巡視探測，實現(xiàn)深空探測技術(shù)的跨越和科學的新發(fā)現(xiàn)。

“天問一號”，我們期待著你為祖國，也為人類帶來科學的新發(fā)現(xiàn)、新認知！

（編輯 韋 瀟）