首次火星探測任務(wù)的科技與管理創(chuàng)新

耿言 張榮橋 赫榮偉 周繼時

摘 要：我國首次火星探測任務(wù)，是迄今為止我國在深空探測領(lǐng)域技術(shù)跨度最大、創(chuàng)新性最強(qiáng)的一項(xiàng)航天系統(tǒng)工程。本文概要介紹了該任務(wù)工程目標(biāo)和飛行過程，凝練了工程的特點(diǎn)、難點(diǎn)以及取得的創(chuàng)新成就，總結(jié)了工程組織實(shí)施和項(xiàng)目管理的一些創(chuàng)新做法和經(jīng)驗(yàn)，對工程實(shí)施整體情況進(jìn)行全景式描述。

關(guān)鍵詞：首次火星探測任務(wù);工程進(jìn)展;創(chuàng)新成就;組織管理

中圖分類號：V57 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2097-0145（2022）01-0003-06 doi：10.11847/fj.41.1.3

Abstract：China’s first Mars exploration mission is the most innovative aerospace system engineering program up to now with the largest technological spanning in the field of deep space exploration. The mission objectives and flight process are briefly introduced in this paper， where the characteristics， difficulties and innovation achievements of the program are summarized. Meanwhile， some innovative practices and experiences of engineering organization and project management are given and the overall process of mission is described from a comprehensive perspective.

Key words：first Mars exploration mission; mission process; innovation achievements; organization and management

1 引言

我國首次火星探測任務(wù)（“天問一號”任務(wù)）圓滿實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測，通過環(huán)繞開展火星全球性、綜合性探測，通過巡視開展火星表面重點(diǎn)地區(qū)高精度、高分辨的精細(xì)探測。該任務(wù)科學(xué)目標(biāo)包括研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、表面土壤與水冰分布、表面物質(zhì)組成、大氣電離層及表面氣候環(huán)境特征、物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1，2]?！疤靻栆惶枴比蝿?wù)起點(diǎn)高、技術(shù)跨越大，任務(wù)環(huán)境新、不確定性大，關(guān)鍵環(huán)節(jié)多、固有風(fēng)險(xiǎn)大[3，4]，環(huán)境模擬難、試驗(yàn)難度大，飛行距離遠(yuǎn)、資源約束大，研制周期緊、進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)大，通過工程實(shí)施，構(gòu)建了我國獨(dú)立自主的行星探測基礎(chǔ)工程體系，包括設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、飛行任務(wù)實(shí)施、科學(xué)研究、工程管理以及人才隊(duì)伍。該任務(wù)在國際上首次通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視的三步跨越，在行星探測領(lǐng)域一舉進(jìn)入世界先進(jìn)行列[5～7]，是迄今為止我國深空探測領(lǐng)域技術(shù)跨度最大、創(chuàng)新性最強(qiáng)的一項(xiàng)航天系統(tǒng)工程。

2 工程建設(shè)概況

2.1 系統(tǒng)組成

“天問一號”任務(wù)由工程總體和探測器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場、測控、地面應(yīng)用五大系統(tǒng)組成。工程總體負(fù)責(zé)工程組織實(shí)施、總體設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理，包括：確定工程總體指標(biāo)，并分解給工程各系統(tǒng);開展系統(tǒng)間技術(shù)接口設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)，組織開展跨系統(tǒng)大型試驗(yàn)、聯(lián)調(diào)和演練，確保各系統(tǒng)技術(shù)和計(jì)劃接口協(xié)調(diào)匹配;開展工程頂層分析和研究，以工程總體性能、指標(biāo)、可靠性最優(yōu)為目標(biāo)，制定和優(yōu)化工程總體方案;組織開展工程產(chǎn)品保證、節(jié)點(diǎn)控制、飛行運(yùn)控、科學(xué)研究等工作。

探測器系統(tǒng)負(fù)責(zé)研制火星探測器（圖1），包括環(huán)繞器和著陸巡視器，著陸巡視器（圖2）由進(jìn)入艙和火星車組成，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視，開展火星科學(xué)探測。運(yùn)載火箭系統(tǒng)負(fù)責(zé)研制一枚“長征五號”運(yùn)載火箭，并將探測器發(fā)射至地火轉(zhuǎn)移軌道。發(fā)射場系統(tǒng)負(fù)責(zé)在文昌航天發(fā)射場實(shí)施發(fā)射（圖3）。測控系統(tǒng)負(fù)責(zé)以現(xiàn)有測控網(wǎng)站為基礎(chǔ)，在新疆喀什深空站增建3副35m口徑天線與現(xiàn)有天線組陣（圖4），同時提升甚長基線干涉測量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）測軌分系統(tǒng)的時延精度，建設(shè)任務(wù)飛行控制系統(tǒng)，完成運(yùn)載火箭和探測器的飛行控制。地面應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)制定有效載荷在軌科學(xué)探測計(jì)劃;在天津武清建設(shè)70m口徑天線（圖5）并與已有數(shù)據(jù)接收站組陣，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探測數(shù)據(jù)高效接收;建設(shè)火星科學(xué)數(shù)據(jù)處理、管理和發(fā)布系統(tǒng)，形成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并分發(fā)給科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開展研究。

2.2 實(shí)施與飛行過程

“天問一號”任務(wù)于2014年9月啟動先期攻關(guān)，2016年1月得到國家批準(zhǔn)立項(xiàng)。工程以探測器研制為主線，經(jīng)歷方案設(shè)計(jì)、初樣研制、正樣研制三個階段[8]，于2020年4月按照既定研制流程完成全部產(chǎn)品研制，進(jìn)入文昌航天發(fā)射場開展發(fā)射準(zhǔn)備。

2020年7月23日，長征五號運(yùn)載火箭零窗口發(fā)射，將探測器精確送入地火轉(zhuǎn)移軌道。在地面測控支持下，探測器經(jīng)過202天飛行，行程4.75億km，于2021年2月10日與火星交會，成功實(shí)施捕獲制動，準(zhǔn)確進(jìn)入環(huán)繞火星軌道，再經(jīng)數(shù)次軌道調(diào)整，進(jìn)入火星停泊軌道，對預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行詳查，為火星著陸做好準(zhǔn)備（圖6）。

2021年5月15日，探測器降軌并為著陸巡視器建立進(jìn)入姿態(tài)，著陸巡視器與環(huán)繞器分離。環(huán)繞器隨即升軌，返回停泊軌道。著陸巡視器繼續(xù)彈道飛行，在距離火星表面125km處進(jìn)入火星大氣，通過氣動外形、降落傘、發(fā)動機(jī)反推、著陸緩沖四級減速，7時18分軟著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)（109.9°E，25.1°N）?；鹦擒囯S即展開設(shè)備，建立通信，進(jìn)行駛離準(zhǔn)備。

2021年5月22日，“祝融號”火星車駛上火星表面，開始巡視探測，并傳回著陸平臺照片，首次留下“中國印跡”（圖7）。

2021年6月11日，國家航天局發(fā)布著陸火星首批科學(xué)影像數(shù)據(jù)，宣布中國首次火星探測任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視三大目標(biāo)，工程取得圓滿成功。

3 工程科技創(chuàng)新與成就

首次火星探測任務(wù)起點(diǎn)高、跨越大、系統(tǒng)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)了我國深空探測能力從地月系到行星際的跨越[9]，總體方案國際首創(chuàng)，綜合技術(shù)水平國際先進(jìn)，部分技術(shù)國際領(lǐng)先，為我國航天事業(yè)發(fā)展建立了又一座里程碑。

3.1 國際上首次通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三大目標(biāo)

在國際上首次通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視。工程的成功實(shí)施，解決了火星環(huán)繞、著陸、巡視、探測、中繼等任務(wù)耦合程度深、制約因素繁、單點(diǎn)環(huán)節(jié)多的難題，帶動了我國多目標(biāo)復(fù)雜航天任務(wù)總體設(shè)計(jì)能力和水平的巨大跨越，為后續(xù)多目標(biāo)行星探測任務(wù)設(shè)計(jì)創(chuàng)立新范式。同時，又催生了大量新思路、新方法、新技術(shù)、新材料、新產(chǎn)品、新算法、新模型等原始創(chuàng)新，特別是多項(xiàng)新技術(shù)在國際上首次應(yīng)用于火星探測。工程多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，部分技術(shù)國際領(lǐng)先。

3.2 首次實(shí)現(xiàn)地球逃逸軌道發(fā)射

提出固定射向、固定滑行時間的多彈道奔火發(fā)射方案，解決了連續(xù)14天、每天3條彈道、每條彈道覆蓋10min窗口發(fā)射帶來的飛行諸元臨射切換、測控布船、航落區(qū)安全管控等難題，并突破了雙曲線彈道制導(dǎo)控制、地球逃逸軌道C3關(guān)機(jī)控制等關(guān)鍵技術(shù)，保證了火星探測每26個月一次機(jī)會中可靠發(fā)射，精準(zhǔn)入軌，成功實(shí)現(xiàn)我國首次第二宇宙速度火箭發(fā)射。

3.3 首次實(shí)現(xiàn)地外行星軟著陸

國際上首次采用基于可展開配平翼變氣動外形的“彈道-升力式”氣動減速方案，以國外同類任務(wù)十分之一的質(zhì)量代價實(shí)現(xiàn)攻角精確控制。突破了EDL系統(tǒng)設(shè)計(jì)、短鈍體氣動外形設(shè)計(jì)、高精度氣動力熱預(yù)測、EDL全自主導(dǎo)航控制、復(fù)雜流場下多體可靠分離等關(guān)鍵技術(shù)，并攻克了輕質(zhì)防熱材料、大型超音速降落傘、中室壓雙組元變推力發(fā)動機(jī)等產(chǎn)品研制難關(guān)。成功實(shí)現(xiàn)我國探測器首次安全軟著陸火星表面（圖8），著陸精度為千米量級（3.1km），達(dá)到國際先進(jìn)水平，部分技術(shù)國際領(lǐng)先。

3.4 首次實(shí)現(xiàn)地外行星表面巡視

國際上首次采用基于主動懸架的移動技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火星車蟹行、尺蠖運(yùn)動等多種運(yùn)動形態(tài)，并突破火面自主導(dǎo)航和智能管理等關(guān)鍵技術(shù)，解決了在復(fù)雜地貌下高效移動與沉陷脫困的難題。國際上首次采用基于光熱直接轉(zhuǎn)換利用的熱控技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%，并突破了火星表面太陽光譜匹配發(fā)電、納米氣凝膠隔熱等關(guān)鍵技術(shù)，解決了火星弱光照、極低溫、無核源情況下能源平衡和熱控保障難題。成功實(shí)現(xiàn)中國的首個火星車在火星表面巡視（圖9），百日千米的高效探測能力達(dá)到國際先進(jìn)水平，部分技術(shù)國際領(lǐng)先。

3.5 首次實(shí)現(xiàn)4億km遠(yuǎn)距離測控通信

突破了大動態(tài)/超低信噪比的捕獲跟蹤與解調(diào)、天線異地組陣、行星際高精度測定軌等關(guān)鍵技術(shù)，并攻克了載波捕獲門限優(yōu)于-157dBm星載X頻段應(yīng)答機(jī)、亞洲最大70m口徑全可動天線等研制難關(guān)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測定軌精度優(yōu)于1km、4億km數(shù)傳碼速率達(dá)到2Mbit/s的測控通信能力。國際上首次采用UHF/X雙頻段全自主中繼通信技術(shù)，單日中繼數(shù)傳能力達(dá)到500Mbit。我國獨(dú)立自主的深空測控通信能力達(dá)到國際先進(jìn)水平，部分技術(shù)國際領(lǐng)先（圖10）。

4 工程管理創(chuàng)新

“天問一號”任務(wù)是我國首個行星探測任務(wù)，本文在以往航天重大專項(xiàng)工程組織管理模式的基礎(chǔ)上[10，11]，實(shí)事求是地提出了一些新管理理念，以適應(yīng)這一任務(wù)的特殊性。

4.1 技術(shù)管理強(qiáng)調(diào)不憚更改、不斷完善

“天問一號”任務(wù)起點(diǎn)高、跨越大、環(huán)境新，研制中不斷遇到新問題，需要新思路。在堅(jiān)持“技術(shù)狀態(tài)清晰”的原則下，提出“火箭不點(diǎn)火，設(shè)計(jì)完善不停止”的新理念，打破“謹(jǐn)防小改出大錯”的思維定勢，鼓勵研制隊(duì)伍不斷探索、反思，對在研產(chǎn)品和系統(tǒng)提出完善和優(yōu)化建議。對于有利于提高工程可靠性、降低風(fēng)險(xiǎn)的新建議，按照技術(shù)狀態(tài)更改“五條原則”（即論證充分、各方認(rèn)可、試驗(yàn)驗(yàn)證、審批完備、落實(shí)到位）穩(wěn)妥實(shí)施。發(fā)射后，針對首次行星際飛行中獲得的新認(rèn)知，提出將“飛行階段作為工程的第四個研制階段”的新理念，要求飛控隊(duì)伍敢于把設(shè)計(jì)余量拿出來，摸清新系統(tǒng)的底線，優(yōu)化飛控策略，將火星車運(yùn)行模式由原設(shè)計(jì)的“三日一個行駛、探測、數(shù)傳周期”改為“一日一周期”，在保證安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，大大提高了探測效率，豐富了獲取的科學(xué)探測數(shù)據(jù)。

4.2 質(zhì)量管理強(qiáng)調(diào)完整供應(yīng)鏈全周期質(zhì)量保證

針對近年來航天產(chǎn)品質(zhì)量問題多發(fā)在外協(xié)環(huán)節(jié)的現(xiàn)實(shí)，在管理實(shí)踐中深入推進(jìn)全供應(yīng)鏈產(chǎn)品保證。按照“橫到邊、縱到底”的原則，按系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)、部組件、工藝、試驗(yàn)等產(chǎn)品配套層級，全面理清協(xié)作配套單位，逐級建立產(chǎn)品保證組織、逐級形成產(chǎn)品保證要求、逐級制定產(chǎn)品保證計(jì)劃，將產(chǎn)品保證要求逐級傳遞并逐層具體化到底，并由工程總體組織專家組，開展產(chǎn)品保證工作檢查，確保產(chǎn)品的特殊應(yīng)用環(huán)境得到各級研制隊(duì)伍的充分理解，特殊要求得到各級研制隊(duì)伍的充分關(guān)注和落實(shí)。提出“驗(yàn)收合格不等于可靠，產(chǎn)品交付不等于完事”的新理念，將單機(jī)產(chǎn)品保證工作延伸到系統(tǒng)集成階段，組織各層級系統(tǒng)和產(chǎn)品上下游研制團(tuán)隊(duì)“交底”，促進(jìn)“使用方理解每件產(chǎn)品特性，承制方反思使用環(huán)境適應(yīng)性”，共同確認(rèn)產(chǎn)品使用狀態(tài)正確，提高系統(tǒng)可靠性。

4.3 計(jì)劃管理強(qiáng)調(diào)進(jìn)度與質(zhì)量并重

航天任務(wù)一直秉承進(jìn)度服從質(zhì)量的理念。受天體運(yùn)行規(guī)律的約束，火星探測每隔26個月才有一次發(fā)射機(jī)會，不同發(fā)射機(jī)會對應(yīng)的火箭運(yùn)載能力、飛行軌道、測控實(shí)施等技術(shù)要求不同。一旦錯過窗口再次組織發(fā)射，勢必帶來大量的技術(shù)狀態(tài)更改，給工程質(zhì)量和可靠性引入更多風(fēng)險(xiǎn)。為此，自工程啟動即在全系統(tǒng)樹立“進(jìn)度即質(zhì)量”的新理念，以抓質(zhì)量的堅(jiān)決，堅(jiān)持“技術(shù)流程優(yōu)化、資源保障先行、留有一定余地”的原則周密制定計(jì)劃，堅(jiān)持“早策劃、早部署，早識別風(fēng)險(xiǎn)、早采取措施”的原則，嚴(yán)格計(jì)劃調(diào)度，嚴(yán)控計(jì)劃調(diào)整。針對出現(xiàn)的進(jìn)度短線，堅(jiān)持“以技術(shù)見底為前提，以確保質(zhì)量為基礎(chǔ)”，由指揮系統(tǒng)和設(shè)計(jì)師系統(tǒng)協(xié)同推進(jìn)技術(shù)、質(zhì)量問題與進(jìn)度短線協(xié)同解決，確保實(shí)現(xiàn)“有質(zhì)量”的進(jìn)度。

4.4 科學(xué)研究借鑒工程管理方法拉動研究能力提升

我國行星科學(xué)研究起步晚，多數(shù)科學(xué)家對航天工程十分陌生，多數(shù)載荷工程師缺乏行星科學(xué)研究背景，對產(chǎn)出高水平成果十分不利。對此，一是從工程立項(xiàng)開始即組建科學(xué)目標(biāo)先期研究團(tuán)隊(duì)，引導(dǎo)一批科學(xué)家開展相關(guān)領(lǐng)域前沿技術(shù)的跟蹤調(diào)研、學(xué)習(xí)探索和方法的先期研究，形成隊(duì)伍基礎(chǔ)。二是有計(jì)劃地推動科學(xué)家和工程師交流和研討，引導(dǎo)和鼓勵科學(xué)家“早著手、早準(zhǔn)備、早介入”，同時推動載荷工程師建立“科學(xué)載荷以數(shù)據(jù)而非產(chǎn)品交付為目標(biāo)”的理念，在研制中充分考慮科學(xué)應(yīng)用需求。三是確立工程系統(tǒng)統(tǒng)一處理科學(xué)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)質(zhì)量負(fù)責(zé)的原則，夯實(shí)科學(xué)研究的物質(zhì)（數(shù)據(jù)）基礎(chǔ)，減輕科學(xué)家處理數(shù)據(jù)的“技術(shù)”負(fù)擔(dān)。四是建立科學(xué)研究指導(dǎo)咨詢組織，為科學(xué)家申請數(shù)據(jù)、開展研究提供支持和幫助。五是建立公開、公平、公正的數(shù)據(jù)發(fā)布制度和協(xié)作競爭的研究機(jī)制，鼓勵科學(xué)家自由申請，對科學(xué)家平等發(fā)布數(shù)據(jù)（圖11），做出有特色的原創(chuàng)性成果。

5 結(jié)論與展望

“天問一號”任務(wù)首次在火星上留下中國印跡，為我國深空探測發(fā)展突破了一系列新技術(shù)，為工程管理豐富了新經(jīng)驗(yàn)，為工程的研制實(shí)施建立了新范式，形成了我國獨(dú)立自主開展行星探測的核心能力。目前，我國行星探測重大專項(xiàng)實(shí)施方案已經(jīng)得到國家批準(zhǔn)，在2030年前后，還將實(shí)施小行星探測、火星取樣返回、木星系及行星際穿越探測等任務(wù)，將進(jìn)一步打造我國開展太陽系天體探測的工程能力，培育和提升我國提出和解決重大科學(xué)問題的研究能力?！疤靻栆惶枴比蝿?wù)的成功實(shí)施，為后續(xù)工程持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)、管理、設(shè)施、人才和科學(xué)研究基礎(chǔ)。參 考 文 獻(xiàn)：

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