鄭蔚

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

“祝融號(hào)”是我國著陸火面的第一輛火星車，它的巡視探測(cè)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(xiàng)任務(wù)一次完成的世界紀(jì)錄。

直到今年年初，火星上著陸的8個(gè)探測(cè)器都是美國人研制的。10年前，擔(dān)任美國眾議院撥款委員會(huì)主席的共和黨眾議員沃爾夫，鼓動(dòng)美國國會(huì)出臺(tái)了禁止與中國進(jìn)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(dòng)。而更早前，美方就對(duì)華實(shí)施各種出口管制，并嚴(yán)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(duì)中美航天合作嚴(yán)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(fù)重任的我國航天科學(xué)家面臨著怎樣的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)，他們又是如何堅(jiān)持科技自立自強(qiáng)，精心推進(jìn)這一重大工程的呢？日前，記者采訪了孫澤洲總設(shè)計(jì)師以及他領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

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

航天五院探火團(tuán)隊(duì)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(diǎn)鐘它沖進(jìn)火星大氣層著陸的那一刻，又叫“恐怖9分鐘”。

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

進(jìn)入艙總體主任設(shè)計(jì)師董捷告訴記者，“天問一號(hào)”環(huán)繞器和著陸巡視器先執(zhí)行降低近火點(diǎn)高度的變軌，約3小時(shí)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(jìn)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(huì)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?dú)?、氬氣、甲烷等物質(zhì)。高溫?zé)g下，進(jìn)入艙的化學(xué)和物理反應(yīng)將更加復(fù)雜，為此采用了能有效保護(hù)進(jìn)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(yàn)，對(duì)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(dòng)機(jī)反噴和緩沖裝置著陸這2個(gè)階段：先通過著陸器提供的主動(dòng)動(dòng)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(gè)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(gè)階段：第一階段是氣動(dòng)減速，利用進(jìn)入艙的氣動(dòng)外形進(jìn)行減速。我們進(jìn)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(jìn)入艙。該階段持續(xù)時(shí)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(yīng)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(jìn)入艙的主發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)入艙著陸緩沖裝置緩沖減速。這4個(gè)階段環(huán)環(huán)相扣，一個(gè)階段完成，立即切換進(jìn)入下一個(gè)階段，因此對(duì)每個(gè)設(shè)備的可靠性和整個(gè)系統(tǒng)的可靠性要求極高，只要有一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，下面一系列動(dòng)作就無法完成。

其次，在火面著陸與在月面著陸的另一個(gè)比較大的不同是，月球距離地球30萬公里，信號(hào)的時(shí)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(yù)的，所以我們準(zhǔn)備了充分的月面著陸故障預(yù)案；但火面著陸時(shí)，地球火星距離達(dá)3.2億公里，時(shí)延長達(dá)約18分鐘，也就是說，當(dāng)我們看到環(huán)繞器傳回地球的信息時(shí)，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(zhǔn)備再多的故障預(yù)案都使不上。所以探火團(tuán)隊(duì)必須制定出萬無一失的飛控方案。

進(jìn)入艙到達(dá)預(yù)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(jìn)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(cè)器，就因降落傘設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致延期發(fā)射。

為此，航天五院的專家針對(duì)進(jìn)入艙落火時(shí)大阻力系數(shù)氣動(dòng)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(shí)快速開傘的鋸齒形前端構(gòu)形、V型雙層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)帶“盤-縫-帶”傘。進(jìn)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(dǎo)傘、減速傘、主傘的動(dòng)作；而進(jìn)入艙使用的降落傘沒有引導(dǎo)傘，必須在約2倍火星音速時(shí)直接打開用于減速的降落傘。考慮到傘剛打開時(shí)進(jìn)入艙會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還在地球上進(jìn)行了仿真模擬試驗(yàn)和針對(duì)性設(shè)計(jì)，保證了器上所有設(shè)備即使在角速度達(dá)到800°/秒的極限狀態(tài)時(shí)，仍能精準(zhǔn)無誤運(yùn)行。

“天問一號(hào)”的進(jìn)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(jì)師陳百超告訴記者，“天問一號(hào)”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(jìn)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(xué)載荷。因此，進(jìn)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(jìn)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(gè)小時(shí)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(cè)控中心的聯(lián)系后再由地面發(fā)出指令。

進(jìn)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(tuán)隊(duì)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(jìn)入艙對(duì)坡度的預(yù)估，選擇合適的展開方向。

“祝融號(hào)”火星車是向東駛?cè)牖鹈娴?。美國“好奇?hào)”“毅力號(hào)”都是1噸級(jí)以上的火星車，而“祝融號(hào)”的質(zhì)量只有240公斤，但它是個(gè)“智慧的小個(gè)子”，在行駛和越障性能上，與別的火星車不相上下?！昂闷嫣?hào)”能爬坡30°，而30°的坡我們“祝融號(hào)”也能爬。

火星表面主要是沙石性土壤，堅(jiān)硬而尖銳的巖石分布較多，容易損壞車輪。研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(qiáng)度高、而且高耐磨，增強(qiáng)了“祝融號(hào)”車輪的可靠性。

火星車一般的時(shí)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(dá)到200米每小時(shí)的速度，如果讓他自己找路行走，可以達(dá)到50米每小時(shí)速度。

沒有想到的是，2008年5月25日才著陸火星的“鳳凰號(hào)”，僅工作了30多天，就因?yàn)榛鹦堑牡蜏囟皟鏊馈?，地火信?hào)中斷。可見火星車的保溫并非易事?；鹦谴嬖诖髿馑p，到達(dá)火星表面的太陽輻射強(qiáng)度僅為不到0.3個(gè)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(duì)這一挑戰(zhàn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(shí)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(gè)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(dá)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(cè)控通信技術(shù)，是“祝融號(hào)”上的又一項(xiàng)科技創(chuàng)新。陳百超說，無線電信號(hào)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(yuǎn)距離是4億公里，兩者距離相差1000多倍，那信號(hào)的衰減就是10002，也就是100萬倍，這意味著同樣的一個(gè)信號(hào)，從地球到火星的強(qiáng)度比從地球到月球的強(qiáng)度要低100萬倍，所以必須突破數(shù)字化高靈敏度深空應(yīng)答機(jī)技術(shù)，突破高靈敏度高動(dòng)態(tài)信號(hào)接受，我們做到了。

目前，火星在距離地球最遠(yuǎn)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(yùn)行的“天問一號(hào)”環(huán)繞器和火面上的“祝融號(hào)”還面對(duì)“火星合日”的考驗(yàn)。何為“火星合日”？就是太陽對(duì)火星的連線與火星對(duì)地球的連線兩者之間的夾角較小，又稱進(jìn)日凌；夾角變大后，為出日凌，這種天文現(xiàn)象大約每26個(gè)月出現(xiàn)一次。日凌期間，從地球上看不到火星，因?yàn)樘枌⑵渫耆诒巍６枏?qiáng)烈的輻射會(huì)干擾甚至切斷地火之間的無線電信號(hào)，所以在日凌期間，科學(xué)家通常會(huì)暫停火地通信。

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?yàn)榛鹦堑目諝饷芏戎挥械厍虻?%。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(huì)這么大。但到了晚上，即使是夏天火星的地面溫度也會(huì)下降到-95℃。為此，“祝融號(hào)”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(hào)”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(tuán)隊(duì)，仍在為環(huán)繞器和火星車出日凌后繼續(xù)執(zhí)行探測(cè)任務(wù)而精心優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

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

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

（編輯 韋 瀟）