文／付毅飛 何 亮

6月12日，國(guó)家航天局召開首次火星探測(cè)任務(wù)新聞發(fā)布會(huì)，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)工程總設(shè)計(jì)師張榮橋、任務(wù)探測(cè)器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫澤洲、任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師劉建軍、測(cè)控系統(tǒng)專家、北京航天飛行控制中心責(zé)任總師崔曉峰全面解讀我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)。

為何選擇一步實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”這一方案

一步實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”。

談及為何選擇這一方案，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)工程總設(shè)計(jì)師張榮橋坦言，在論證之初就在想，我國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走非常穩(wěn)健，每一步都很精彩。那么，我們國(guó)家去行星際、去火星要如何干？

實(shí)際上對(duì)去火星的技術(shù)難度，科學(xué)家們心知肚明，了解得非常清楚。到目前為止，全球火星探測(cè)的整體成功率只有50%左右，著陸類的任務(wù)的成功率只有40%多一點(diǎn)，這是客觀現(xiàn)實(shí)。

張榮橋透露，在論證初期，首次火星探測(cè)任務(wù)選擇了一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低的“環(huán)、繞”方案。但是對(duì)于這個(gè)方案，張榮橋和業(yè)界專家及參與論證的科研人員都”心有不甘“。

“因?yàn)楦鷩?guó)外相比，我們起步較晚，這是客觀現(xiàn)實(shí)。但是在論證的時(shí)候，與國(guó)外還存在著不小差距的情況下，國(guó)家投錢讓我們來干這么一件事情，我們的同志有個(gè)基本共識(shí)：不能僅僅考慮風(fēng)險(xiǎn)，更要考慮對(duì)航天技術(shù)發(fā)展和科學(xué)研究的牽引、帶動(dòng)作用，對(duì)國(guó)家整體能力的提升作用。拿我們今天的話來說，就是要體現(xiàn)出我們航天人的擔(dān)當(dāng)精神?！皬垬s橋說。

因此，在分析了各種因素，特別是載人航天、探月工程為火星探測(cè)奠定了一定的技術(shù)和設(shè)備設(shè)施基礎(chǔ)，長(zhǎng)征5號(hào)運(yùn)載火箭又提供了必備的發(fā)射能力。

在此基礎(chǔ)，大家就認(rèn)為“踮踮腳、伸伸手”，盡管難度很大，但是一步實(shí)現(xiàn)”繞、著、巡“的風(fēng)險(xiǎn)是可控的。因此最后形成了我們國(guó)家火星探測(cè)“一步實(shí)現(xiàn)繞著巡，二步完成采樣回”的總體發(fā)展思路。

一步實(shí)現(xiàn)繞著巡，意味著研制難度加大，說的白一點(diǎn)，失敗的可能性增加了。

所以，在當(dāng)天的新聞發(fā)布會(huì)上，國(guó)家航天局新聞發(fā)言人許洪亮特別提到，天問一號(hào)任務(wù)成功是全體參研參試人員八年來團(tuán)結(jié)拼搏、不懈努力的重要成果。天問一號(hào)任務(wù)成功是新型舉國(guó)體制制度優(yōu)勢(shì)的又一次生動(dòng)體現(xiàn)。離不開黨中央的堅(jiān)強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)和前瞻決策、離不開各部門和單位的大力協(xié)同和精心組織、離不開專家院士們的超前謀劃和積極推動(dòng)、離不開航天精神的激勵(lì)鼓舞。

13種科學(xué)儀器開啟火星科學(xué)探測(cè)

為了開展火星科學(xué)探測(cè)，在火星車上配備了6種儀器，火星車?yán)走_(dá)、磁場(chǎng)探測(cè)儀、成分探測(cè)儀、氣象測(cè)量?jī)x、多光譜相機(jī)和地形相機(jī)，其中，表面磁場(chǎng)探測(cè)儀將是國(guó)際上首次在火星表面進(jìn)行移動(dòng)的磁場(chǎng)測(cè)量，獲得精細(xì)尺度的火星磁場(chǎng)信息。我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師劉建軍介紹說。

同時(shí)，國(guó)際先進(jìn)的火星車?yán)走_(dá)和表面成分探測(cè)儀，通過雙頻段全極化雷達(dá)獲取火星淺層結(jié)構(gòu)，探測(cè)可能的地下水/冰分布；通過激光誘導(dǎo)光譜方式，獲取火星表面巖石的化學(xué)元素組成。

此外，多光譜相機(jī)、地形相機(jī)和氣象測(cè)量?jī)x，將感知火星表面環(huán)境，測(cè)量火星表面溫度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向和聲音。

劉建軍表示，目前，6種科學(xué)儀器均已開機(jī)測(cè)試獲取探測(cè)數(shù)據(jù)，正在開展科學(xué)探測(cè)。我們將圍繞水/冰活動(dòng)、火山活動(dòng)等關(guān)鍵科學(xué)問題，深入認(rèn)識(shí)火星古環(huán)境特征和演化，研究古火星的宜居環(huán)境。

在環(huán)繞器上配置7種科學(xué)儀器也非常有特點(diǎn)。劉建軍介紹，比如有一個(gè)雙極化雷達(dá)、亞米分辨率的高分相機(jī)、500多個(gè)譜段的光譜分析儀、中分辨率相機(jī)，“這些都和目前國(guó)際上火星探測(cè)的最高能力處于同等水平”。另外還有磁強(qiáng)計(jì)、離子與中性粒子分析儀和能量分析儀，“他們主要是結(jié)合起來對(duì)磁場(chǎng)與粒子空間環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，為火星空間環(huán)境和大氣逃逸機(jī)制研究獲取第一手的資料”，劉建軍說。

著陸與巡視環(huán)節(jié)有多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新突破

“火星的著陸下降過程是我們此次任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)中我們要面對(duì)不熟悉而且多變的火星大氣環(huán)境，還要自主完成十幾項(xiàng)關(guān)鍵動(dòng)作，而且這些動(dòng)作環(huán)節(jié)也是環(huán)環(huán)相扣的?！痹诎l(fā)布會(huì)上，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)探測(cè)器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫澤洲直言首次著陸火星面臨的巨大挑戰(zhàn)。

孫澤洲介紹，從進(jìn)入火星大氣到最終著陸到火星表面，歷時(shí)雖然只有9分鐘，但是在這個(gè)復(fù)雜過程中要利用火星大氣把相對(duì)于火星每秒4.8公里的速度減到為0，這就決定了這次火星著陸任務(wù)過程的難度。

如何解決這些問題？火星探測(cè)在技術(shù)上做了許多創(chuàng)新。

針對(duì)氣動(dòng)的影響，首先通過全新的氣動(dòng)力、熱的實(shí)驗(yàn)方法研究，經(jīng)過一系列算法和試驗(yàn)，最終建立起完備的氣動(dòng)力、熱數(shù)據(jù)庫(kù)，由此設(shè)計(jì)了與地球進(jìn)入不同、與國(guó)外氣動(dòng)著陸外型也不同的全新氣動(dòng)外型。同時(shí)針對(duì)火星大氣進(jìn)入，采用了彈道升力的方案。提高對(duì)火星大氣不確定性的適應(yīng)能力，降低不可干預(yù)環(huán)境帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

“這樣一個(gè)方案雖然可以很好適應(yīng)火星大氣環(huán)境不確定性，但是也面臨很多難題?！睂O澤洲表示，其中一個(gè)是進(jìn)入過程中氣動(dòng)減速段需要一定的配平攻角，在開傘前我們又把這個(gè)攻角調(diào)回來，利于我們開傘尾流對(duì)稱性，使開傘的風(fēng)險(xiǎn)更小。

針對(duì)這樣一個(gè)難題，我國(guó)的火星探測(cè)任務(wù)在國(guó)際上首次采用配平翼的打開，利用火星大氣阻力進(jìn)行攻角調(diào)整。“這樣一個(gè)方案，應(yīng)該說，相比以往火星表面進(jìn)入的方案，我們這個(gè)系統(tǒng)的重量只有國(guó)外的10%。這就是氣動(dòng)力、熱方式以及我們技術(shù)方式上的創(chuàng)新”孫澤洲說。

巡視環(huán)節(jié)，火星表面巡視跟月球還有不同，火星表面呈現(xiàn)低光照，太陽光能量相對(duì)比較小。同時(shí)，火星表面容易出現(xiàn)沉陷。

怎么解決？

“首先是首次在火星上采用太陽能集熱器技術(shù)，這個(gè)做法使我們對(duì)太陽能利用率達(dá)到80%，極大提高我們對(duì)太陽能利用效率，也為火星車在火星表面提供了很好的溫度保障。”

而針對(duì)火星易沉陷得特殊地貌問題，則采用主動(dòng)懸架系統(tǒng)?！斑@個(gè)系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜，但是針對(duì)于可能的沉陷或者車輪故障，包括爬坡能力，可以得到進(jìn)一步的提高。這樣，我們可以主動(dòng)改變我們移動(dòng)的形態(tài)，實(shí)現(xiàn)車體抬升、車輪抬升甚至蠕動(dòng)等等形態(tài)。而且一旦沉陷，可以實(shí)現(xiàn)多種移動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)脫困?！?/p>

這也是國(guó)際上首次在地外天體采用主動(dòng)懸架移動(dòng)系統(tǒng)，作用是更好適應(yīng)我們?cè)诨鹦巧戏€(wěn)健移動(dòng)、可靠移動(dòng)的目標(biāo)。

此外，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)在星際通信、自主導(dǎo)航、自主管理等方面，在方法方案和技術(shù)上也都有創(chuàng)新。

測(cè)控技術(shù)了解決抓得著、看得清、控得準(zhǔn)的問題

火星任務(wù)的測(cè)控系統(tǒng)主要是由地面測(cè)控站網(wǎng)及飛控中心組成，在火星探測(cè)中承擔(dān)著對(duì)“天問一號(hào)”探測(cè)器以及“祝融號(hào)”火星車的跟蹤、軌道測(cè)量、數(shù)據(jù)通信，解決抓得著、看得清、控得準(zhǔn)的問題。

測(cè)控系統(tǒng)專家、北京航天飛行控制中心責(zé)任總師崔曉峰表示，通過我國(guó)首次火星探測(cè)工程的建設(shè)和實(shí)施，我國(guó)的深空測(cè)控體系建設(shè)、能力建設(shè)，都取得了長(zhǎng)足發(fā)展和重要突破。

測(cè)控距離大幅延伸。在我國(guó)原有深空測(cè)控網(wǎng)基礎(chǔ)上，完成了深空測(cè)控設(shè)備能力的升級(jí)，滿足深空測(cè)控通信的技術(shù)指標(biāo)和全新工作模式要求，同時(shí)新建成多天線組陣系統(tǒng)，對(duì)深空弱信號(hào)的接收處理能力大大增強(qiáng)，對(duì)探測(cè)器的跟蹤、測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸能力，從探月工程的幾十萬公里擴(kuò)展到火星任務(wù)的數(shù)億公里。通過我國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)所屬的各個(gè)測(cè)控站和測(cè)控設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的全時(shí)段跟蹤覆蓋，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次行星際飛行的成功測(cè)控和可靠上下行數(shù)據(jù)傳輸。

測(cè)控精度有力保障。綜合運(yùn)用符合行星際空間與時(shí)間特征的軌道確定技術(shù)，以及增強(qiáng)的測(cè)量手段，測(cè)量精度大大提高確定。利用全球布站的深空干涉測(cè)量，取得測(cè)量基線長(zhǎng)度更長(zhǎng)、構(gòu)型更豐富的優(yōu)勢(shì)，使得深空軌道確定和預(yù)報(bào)精度進(jìn)一步提高，為近火捕獲、兩器分離、火星大氣進(jìn)入等關(guān)鍵控制，以及火面著陸以后巡視探測(cè)的成功精準(zhǔn)實(shí)施提供有力支持。

飛行控制克難制勝。由于超長(zhǎng)時(shí)延和弱信號(hào)的原因，地面飛控的模式比近地航天以及月球探測(cè)任務(wù)都有很大不同，并且大量環(huán)節(jié)都是機(jī)會(huì)唯一，只能一次性成功。此外，通過環(huán)繞器中繼的方式對(duì)火星車進(jìn)行遙操作控制，從狀態(tài)獲取到控制實(shí)施，以及天地設(shè)施的調(diào)度協(xié)同都增加了許多新的難度和挑戰(zhàn)。在這次任務(wù)中，成功實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)時(shí)延、開環(huán)模式下的深空飛行器的飛行控制和行星表面巡視器的遙操作控制，做到了從地面對(duì)數(shù)億公里以外的飛行器和火星車狀態(tài)掌握及時(shí)、完整，操作控制準(zhǔn)時(shí)、精確，實(shí)際結(jié)果與預(yù)定方案達(dá)到高度契合?？偟脕碚f，通過此次火星探測(cè)任務(wù)的成功應(yīng)用，表明我國(guó)的深空測(cè)控能力和飛控體系完全能夠滿足行星際空間的跟蹤、測(cè)量、通信、控制要求，能夠?yàn)槲覈?guó)后續(xù)更多更遠(yuǎn)的深空探測(cè)任務(wù)提供堅(jiān)實(shí)支撐。