本文圍繞2022年度上海市科技進(jìn)步獎一等獎“火星探測行星際飛行及環(huán)繞平臺技術(shù)”項目展開。該獎項由上海衛(wèi)星工程研究所朱新波、褚英志、徐亮、張偉、王偉、王民建、張旭光、牛俊坡、杜洋、王建煒、信思博、楊金、閆奎、印興峰、于淼獲得。

幾個世紀(jì)前的大航海時代，人類第一次建立了跨越大陸和海洋的聯(lián)系，世界開始連成整體。而深空探測是連接地球和地外文明的橋梁，從嫦娥奔月到夸父逐日，人類從未停止追求星辰大海。

茫茫宇宙，火星承載著人類的厚重夢想。2020年7月，我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器成功發(fā)射。在隨后的幾百個日夜里，“天問一號”一次任務(wù)實現(xiàn)了“環(huán)繞、著陸、巡視”。而任務(wù)背后的火星環(huán)繞器研發(fā)團(tuán)隊也獲得了2022年度上海市科學(xué)技術(shù)一等獎，他們開發(fā)的環(huán)繞器技術(shù)未來也將用于“天問三號”、“天問四號”等行星探測工程任務(wù)。

4億公里闖難關(guān)

“天問一號”任務(wù)中，火星環(huán)繞是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從地球飛往火星，飛行路徑超4億公里，“天問一號”耗時200多天。在近7個月時間里，探測器能順利被火星捕獲是第一關(guān)，也是火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。

在火星探測器從地球飛向火星的過程中，能夠被火星引力所捕獲形成環(huán)繞軌道的機(jī)會只有一次。火星探測任務(wù)捕獲時，探測器距離火星最近僅400公里，稍有偏差就會撞擊火星或飛離，因此，捕獲的成敗就成為了火星探測任務(wù)成敗的關(guān)鍵。

探測器被火星捕獲僅僅是第一道關(guān)卡，此后還要面臨進(jìn)入環(huán)火橢圓軌道、停泊探測、兩器分離、中繼通信、環(huán)火遙感等挑戰(zhàn)，任何一環(huán)出了問題，都將導(dǎo)致環(huán)繞任務(wù)失敗。

為了順利完成探“火”任務(wù)，中國航天科技集團(tuán)八院上海衛(wèi)星工程研究所火星環(huán)繞器副總設(shè)計師朱新波帶領(lǐng)團(tuán)隊開發(fā)了火星環(huán)繞器，讓它負(fù)責(zé)攜帶著陸巡視器，完成地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、環(huán)火軌道調(diào)整、落區(qū)預(yù)探測；實施兩器分離，提供中繼支持服務(wù)；在遙感軌道，利用科學(xué)載荷對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測。

從近地到近火，環(huán)繞器要經(jīng)歷大跨度的溫度變化。在環(huán)火陰影區(qū)，探測器進(jìn)入-180℃的極端低溫環(huán)境，這對器上產(chǎn)品及系統(tǒng)熱控提出高要求。研發(fā)團(tuán)隊通過系統(tǒng)熱設(shè)計、功率平衡確保了艙內(nèi)溫度水平，艙外產(chǎn)品經(jīng)過嚴(yán)格的材料選型與試驗驗證，確保滿足深低溫的環(huán)境適應(yīng)性。

通常情況下，環(huán)繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星都由地面控制中心根據(jù)衛(wèi)星實時狀態(tài)和任務(wù)要求進(jìn)行控制。但與地球衛(wèi)星不同，由于器地距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)時單向通信時延達(dá)20多分鐘，一來一回通信延遲40多分鐘，地面指令來不及實時干預(yù)探測器。

深空探測器與地面站通信還存在獨特的“日凌”現(xiàn)象，當(dāng)探測器、地球和太陽位置處于同一直線時，太陽輻射會干擾地火之間射頻信號傳輸，導(dǎo)致通信中斷。而我國首次火星探測任務(wù)最長“日凌”達(dá)到30天。“日凌”期間，環(huán)繞器必須“自己照顧好自己”，依靠自身完成任務(wù)管理，并在出“日凌”后迅速自主與地面恢復(fù)聯(lián)系。

為了解決這些問題，研發(fā)團(tuán)隊通過研制高度集成的小型化綜合電子系統(tǒng)，環(huán)繞器實現(xiàn)了器務(wù)管理、遙測遙控、熱控管理、配電管理、推進(jìn)控制、機(jī)構(gòu)驅(qū)動、數(shù)據(jù)存儲功能的一體化，為綜合信息自主管理奠定了硬件基礎(chǔ)。通過設(shè)計多系統(tǒng)多模式器上信息綜合自主處理方法，保證一級故障任務(wù)正常執(zhí)行，二級故障整器安全，在軌實現(xiàn)了環(huán)繞器在軌自主運(yùn)行大于30天的能力。環(huán)繞器通過X頻段兩維可驅(qū)動的2.5米大口徑數(shù)傳天線，實時驅(qū)動跟蹤，準(zhǔn)確對準(zhǔn)地球，向地球回傳環(huán)繞器的狀態(tài)及科學(xué)數(shù)據(jù)，最大速率達(dá)4Mb/s。

十年磨劍奔火星

從事航天工作已有20多年的朱新波在研發(fā)火星環(huán)繞器過程中，承擔(dān)了環(huán)繞器的抓總設(shè)計、系統(tǒng)研制過程質(zhì)量控制、整星大型測試與試驗等研制全過程工作。他深感火星探測任務(wù)的特殊與難度。

“不同于地球衛(wèi)星任務(wù)，深空探測任務(wù)對探測器的性能指標(biāo)要求都是最高的，系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，攻關(guān)難度大。” 朱新波說，由于火星、地球繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的天體規(guī)律，火星探測器的發(fā)射窗口每26個月才出現(xiàn)一次、要求非常苛刻，天問一號任務(wù)從啟動開始就確定了2020年7月份的發(fā)射窗口，不容推遲，這就給探測器的研制進(jìn)度帶來了巨大壓力。

他和團(tuán)隊從2010年開啟背景任務(wù)論證，其間經(jīng)歷多輪次方案迭代，直到2014年正式啟動方案攻關(guān)，他帶領(lǐng)團(tuán)隊開展火星環(huán)繞器的研制工作，方案、初樣、正樣三個研制階段持續(xù)了6年時間。在這期間，他們克服重重困難，完成了方案驗證器、初樣結(jié)構(gòu)器、初樣電性器、正樣器的研制，整個研發(fā)過程前后歷時10年。

2020年7月，“天問一號”探測器在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。朱新波帶頭研發(fā)的火星環(huán)繞器帶著全國人民的期盼奔向火星。他在現(xiàn)場通過回傳的遙測實時監(jiān)測著火星環(huán)繞器的狀態(tài)。器箭分離后，“火星環(huán)繞器按照我們設(shè)計的動作一步一步精準(zhǔn)地完成飛行狀態(tài)建立。”那一刻，他的內(nèi)心激動不已。

在“天問一號”之前，我國沒有一手的火星探測數(shù)據(jù)，只能依靠國外。“天問一號”任務(wù)的成功實施，為我國科研工作者提供了大量科學(xué)數(shù)據(jù)，將產(chǎn)出大量科研成果。

離開地球約202天后，火星環(huán)繞器抵近火星。那天，火星環(huán)繞器不負(fù)眾望，如教科書般地完成了火星捕獲制動，成為了中國首顆人造火星衛(wèi)星。“‘天問一號’邁出了我國行星探測的第一步，后續(xù)我們國家還會繼續(xù)探測火星和其他星球。”朱新波說，他和團(tuán)隊開發(fā)的火星環(huán)繞器技術(shù)未來將應(yīng)用于我國深空探測環(huán)繞類探測任務(wù)，如“天問三號”、“天問四號”等行星探測工程任務(wù)。

“深空探測任務(wù)是一項系統(tǒng)工程，需要集智攻關(guān)。” 朱新波感慨，在任務(wù)研制過程中必須充分發(fā)揮全國優(yōu)勢，在頂層統(tǒng)一指揮領(lǐng)導(dǎo)下齊心協(xié)力，才能完成任務(wù)。與此同時，嚴(yán)慎細(xì)實才能保成功。所有地面問題在天上都是巨大的隱患。因此，研制過程中任何一個小細(xì)節(jié)都不能放過。他也勉勵青年，要在學(xué)習(xí)期間需要扎根基礎(chǔ)專業(yè)，建立系統(tǒng)觀念，多學(xué)習(xí)、多動手、持續(xù)更新知識、持續(xù)實踐操練，不斷提升綜合能力，讓幾代航天人矢志追求的航天強(qiáng)國夢成為現(xiàn)實。