“十年磨一劍”打造我國首顆人造火星衛星
編者按
這個春節，中國首次火星探測任務再度引發關注。2月10日，天問一號探測器抵達火星軌道，成為我國第一顆人造火星衛星。2月12日，天問一號從遙遠的火星軌道傳來新春祝福，其火星捕獲過程影像公開。2月15日，天問一號成功實施捕獲軌道遠火點平面機動。在天問一號環繞火星成功實現“繞、著、巡”第一步“繞”的目標之際，本版推出專題解讀。
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在剛剛過去的春節假期，中國首次火星探測任務動作頻頻，接連走進公眾視線——
先是2月10日晚，天問一號探測器抵達火星軌道，成為我國第一顆人造火星衛星，實現“繞、著、巡”第一步“繞”的目標，環繞火星獲得成功。
接著是2月12日，天問一號從遙遠的火星軌道傳來新春祝福：其火星捕獲過程影像公開，太陽翼、定向天線、火星大氣層及表面形貌清晰可見。
最近一次則是2月15日，天問一號成功實施捕獲軌道遠火點平面機動。後續，它還將通過數次軌道調整，進入火星停泊軌道，計劃于5月至6月擇機實施火星著陸。
至此，天問一號探測器系統之環繞器副總設計師朱新波懸著的心，終於放了下來。他告訴中青報·中青網記者：“為了這一天，整個環繞器研製團隊歷經千錘百煉，足足等了10年！”
8名院士聯名上書
如今回過頭來看，天問一號的研製論證起點是2010年。那一年，我國剛剛發射第三顆北斗導航衛星，在月球探測上也剛邁出“繞、落、回”的第一步。外界很難想像，就是在這一年，中國航太人已經把目光投向火星。
中國首次火星探測任務探測器系統副總指揮兼環繞器總指揮張玉花說，2010年，在8名院士聯名上書的推動下，我國深空探測重大專項論證拉開帷幕。自那時起，她所在的八院火星團隊就開始全程參加我國深空探測的重大專項論證。2013年，根據分工，八院火星團隊轉入對火星環繞器的總體論證。
論證一開始，就遭遇一隻只“攔路虎”：機會唯一的制動捕獲如何踩剎車？過程複雜的兩器分離如何設計？遙測遙控中斷30天的“日淩期”如何度過？數億公里外的火星探測器如何開展自主管理？
“面對這些難題，我們沒有退縮，關鍵技術是環繞器的核心，絕不能假手于別人！”張玉花告訴記者，我國是深空探測領域的後來者，對深空探測所需的技術積累有限，為實現深空探測工程的目標，必須攻克一系列關鍵技術。
在攻克環繞器自主管理難題方面，朱新波帶領團隊組建了一個“敢啃硬骨頭”的青年攻關小組。
這可不是一個只會坐在辦公室伏案實驗的“秀才團隊”。朱新波告訴記者，為了更好地發揮協作優勢，團隊裏的青年設計師頻繁往返京滬之間，不斷完善項目建議書和任務書，邊論證邊調研。
他舉了一個例子：給火星軌道控制帶來巨大挑戰的是通信延時。由於探測器距離地球太過遙遠，要踏入環火軌道的天問一號，與地球的通信延遲超過了10分鐘，這意味著地面上的航太人無法對火星捕獲情況進行實時監控、快速應對。
朱新波說，面對這樣一段“視覺盲區”，軌道設計團隊協同控制系統進行了近千種故障工況的分析，確定了關鍵參數及閾值，保證火星探測器在地面無法實時控制的情況下，對可能發生的情況進行恰當的判斷和反應。
“憑著‘初生牛犢不怕虎’的幹勁，我們才拿下深空探測自主管理與控制關鍵技術等課題，取得重大突破，才讓後來的天問一號有了聰明‘大腦’。”朱新波說。
不過到這裡，這場科研攻關大戲才剛剛開始。
唯一一次成功機會
天問一號在抵達火星軌道前，需要把握住唯一的機會，對火星進行“制動捕獲”。作為中國首次火星探測任務中技術風險最高、技術難度最大的環節之一，這一動作被形象地稱為“踩剎車”。
“為什麼說只有一次機會？如果點火時間過長，探測器就會一頭撞上火星；如果點火時間過短，探測器就會飛離火星。這對環繞器姿軌控分系統提出了極高要求。”朱新波說。
他打了一個比方：開車的人都知道，在高速公路下匝道需要讓車速降下來，才能安全經過彎道。類似的，對於以高速度向著火星靠近的探測器來說，要想被火星引力所捕獲，也必須在“捕獲窗口”對應的軌道弧段，精準、自主可靠地完成“剎車”。
從理論上說，給探測器一個反向推力，即可把它的速度降下來。但在工程實施過程中，仍會遇到不少問題：火星引力的“捕獲窗口”有限，要求探測器在10分鐘內將速度降低約每秒1公里。此外，由於通信延時，探測器必須完全依靠自身完成發動機點火和關機，克服發動機點火期間的擾動，實現點火方向和點火時長的精確控制。
難題擺在面前，年輕的研製團隊再一次出手了。
環繞器團隊總體設計師謝攀告訴記者，為了解決這一難題，他和同事不斷進行腦力碰撞，提出成百上千個方案。最終，他們決定採用捕獲時“開機時長”和“速度增量”兩個指標來控制發動機的“雙關機策略”。如此，環繞器還可以自主生成二次捕獲策略，以最大限度保證任務的成功。
2016年，我國首次自主火星探測任務正式啟動立項，在這之後的幾年裏，謝攀所在的研製團隊接連攻克了火星制動捕獲、超遠距離通信、長時間在軌自主管理、深空光學自主導航等多項關鍵技術。
謝攀說，過去4年，研製團隊不知經過了多少次試驗，失敗了重新再來，成功了就再重復驗證，其目的都是為了確保可靠、精準完成這一腳高難度“剎車”。
千分之三不容忽視
在地面的一次半物理倣真試驗中，天問一號捕獲制動精度與指標要求有了明顯偏差，這讓朱慶華的心一下子提到了嗓子眼兒。
這位環繞器技術副總設計師疑惑道：方案已考慮了探測器燃料消耗引起的品質變化，也考慮了推力方向偏心造成的姿態干擾等多種可能的因素，為什麼精度還是不夠？
研製團隊隨即對捕獲制動這一過程再次進行深入分析，最終發現，制動前的“沉底”時間過長，對捕獲控制的速度增量產生了約0.3%的影響。
所謂“沉底”，就是在主發動機推力減速前，先啟動維持探測器姿態控制的小推力器工作，通過姿態控制推力器產生的加速度，使燃料集中到貯箱底部，便於主發動機工作。
朱慶華告訴記者，研製團隊很快對這一過程進行精確分析，將沉底工作過程的推力減小一倍，並將沉底過程對速度增量的影響引入到主發動機關機時機的計算中，通過方案優化和進一步倣真驗證，捕獲制動精度有了顯著提升。
一個細節暴露了問題，那麼其他細節會不會也有類似的問題？
研製團隊開始“舉一反三”：承擔著指揮控制任務的GNC單元，採用了三模冗余方案。在團隊多輪設計、倣真及驗證工作下，3台電腦可確保“步調一致”並實現“民主表決”，即運算時刻和初始數據始終保持一致，進而通過少數服從多數的原則，確保計算結果準確無誤。
朱慶華說，為了確保這次“剎車”可靠完成，研製團隊在4年的研製過程中，不斷進行著發動機推力方向和大小、發動機推力干擾力矩、太陽電池陣撓性振動、推進劑液體燃料晃動等各參數的正常範圍、極限拉偏測試，分析測試和試驗中GNC系統的表現，對異常現象迅速定位並對方案進行優化完善。
“我們運用自己的演算法，對一些知名的火星探測任務進行倣真，倣真結果與國際上公佈的數據非常吻合。”環繞器GNC分系統產保師劉宇說。
截至目前，具備自主控制能力的天問一號已成功實施捕獲制動。劉宇告訴記者，他期待天問一號在火星的上空，能夠帶來更多探火新發現。
每一個腳印都在創造歷史
2020年，一場突如其來的新冠肺炎疫情，打亂了火星環繞器正樣產品的出廠步伐。
朱新波告訴記者，為了降低人員流動風險，團隊決定分雙線並行推進工作：一支隊伍在京完成與北京飛行控制中心的無線1：1聯試，另一支隊伍負責在上海完成整器出廠評審準備工作。
測控數傳分系統是天問一號探測器最重要的分系統之一，該系統不僅要進行整器的各項試驗，同時還要進行各測控站、應用站的對接。朱新波說，對接工作時間跨度大、協同距離遠，需要長期保持多地同時工作。
北到佳木斯的深山老林，西到喀什的茫茫戈壁，南到文昌的濕熱海島，東到上海的佘山腳下……在進行我國首臺高靈敏度數字化深空應答機的測控應用對接任務時，研製團隊在短短幾個月時間裏，輾轉八地，披星帶月，奔赴數萬公里。
2020年7月，天問一號成功發射後，需要研製人員同時在北京、上海兩地進行飛控。環繞器副總指揮褚英志告訴記者，在天問一號奔赴火星的星際旅途中，團隊成員每天“兩班倒”，一路遙遙“相伴”。
進入2021年2月火星制動捕獲的關鍵節點，研製團隊更是全員奔赴北京飛控。總體主任設計師牛俊坡告訴記者，全體成員抵京後，開展飛控文件的最終確認，與北京飛行控制中心開展一遍又一遍的協同演練。
第一時間得知天問一號成功進入環火軌道，牛俊坡緩緩松了一口氣，寫下了這段話：“好奇是隱藏人類心中的神秘種子，熱情是蘊含人們體內的無窮力量，深空是等待人們探索的未知領域，夢想是激勵我們前進的灼灼明燈。我們所做的每一件事、踩下的每一個腳印，都在創造歷史！”
他告訴記者，10年的問天之路，火星環繞器研製團隊奉獻的是青春和智慧，扛住的是責任與壓力。
截至目前，火星探測研製團隊已經持續開展了200多天的在軌飛行控制任務，完成了4次中途修正和一次深空機動，開展了各種自檢和功能驗證工作，對探測器的測控通信能力、能源保障能力、姿軌控能力、自主管理能力等進行了測試。
他們現在最期待的，就是5月至6月的落火時刻。
“疫情時期又趕上研製的收尾階段，乘坐人生中第一次20多個小時的大巴奔京，希望疫情趕緊過去，探火順順利利，更希望這一年在外的時間不要超過前一年的天數。”
——當火星環繞器測控數傳主任設計師王民建在京滬大巴上發完這條朋友圈後，他怎麼也不會想到，在天問一號抵達火星軌道，成為我國第一顆人造火星衛星後，他的出差天數再次刷新了。
天問一號，這個來自中國的火星使者，還要繞著火星繼續轉下去。而王民建，這位年輕航太人的探火之旅，同樣也在路上。
中青報·中青網記者 邱晨輝 來源：中國青年報
