零距離！揭開天問一號火星環繞器神秘面紗
零距離
揭開天問一號火星環繞器神秘面紗
天問一號制動捕獲效果圖。中國航太科技集團八院供圖
伴隨天問一號成功被火星引力捕獲，其環繞器結構也揭開了神秘面紗。天問一號探測器由環繞器和著陸巡視器組成。這其中，“太空多面手”環繞器“一器分飾多角”，具備三大功能：飛行器、通信器和探測器。
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表示，在近7個月的飛行過程中，天問一號環繞器首先作為飛行器，將著陸巡視器送至火星著陸軌道。待成功釋放著陸巡視器後，環繞器作為通信器，為著陸巡視器建立與地球之間的中繼通信鏈路。通信工作結束後，環繞器作為探測器對火星進行科學探測。
“減肥瘦身”
據中國航太科技集團八院天問一號環繞器結構團隊杜冬博士介紹，為了克服地球的強大引力、奔向火星，天問一號探測器總重量不能超過5000公斤，但為了到達遙遠的火星，它又至少需要攜帶2500公斤的推進劑，除去著陸巡視器佔去的1300公斤重量份額，環繞器自身幹重被嚴格限制在1200公斤以內。
“環繞器的1200公斤包含結構和其他各種設備的重量，還要兼顧2.5米可展開驅動天線、太陽電池陣、高解析度相機等多種大體積設備的安裝要求。”杜冬說，如何在重量有限的情況下實現高效的承載和設備安裝，成為了環繞器結構團隊面前的一隻“攔路虎”。
環繞器結構主任設計師王建煒說，對於航太器來說，質心越低、重量越輕，發射成本就越小，所以結構構型設計的目標就是要儘量降低質心，優化重量，同時兼顧設備安裝需求。圍繞著這個核心原則，結構團隊先後開展了多輪結構構型論證。
“探測器多一克的重量，付出的發射成本將遠超一克黃金。”杜冬說，為了繼續“減重”，環繞器結構團隊還把目光投向重量最大的結構核心部件——中心承力筒，並創新採用了“全複合材料主承力結構”，在材料上下功夫，使得環繞器在苛刻限重的條件下實現高效承載。
“火眼金睛”
天問一號探測器飛近火星的過程中，如何靠自己找到火星？
中國航太科技集團八院光學導航專家鄭循江告訴記者，天問一號探測器上配置的光學導航敏感器，可以利用拍攝的恒星與火星圖像，精確計算出自身的飛行姿態、位置與速度，實現相對火星的自主導航。
“光學導航敏感器就好比天問一號火星探測器自動駕駛過程中的‘眼睛’。”鄭循江說。據他介紹，在飛近火星的過程中，探測器靠這雙“眼睛”實時觀測火星的距離和方向，讓飛控團隊可以更直觀地確認飛行軌道和姿態，計算圖像中火星的幾何中心和視半徑，天問一號也就可以通過最優估計演算法，來自主獲取實時的位置和速度資訊。
鄭循江說，7年來，在2500多個日日夜夜的攻關期間，研製團隊不是在做試驗，就是在去做試驗的路上。正是有了廣泛的試驗數據加持，團隊完成了設計方案的多輪優化，最終完成了最惡劣條件下的全部功能及性能的驗證。
“這是我國首次在行星際轉移飛行過程中應用光學自主導航技術。”鄭循江說，國內並無先前的工程經驗可參考，研製團隊一點點摸索，設計了大大小小百餘個試驗項目，最終使中國成為世界上第二個掌握並在軌驗證了火星光學自主導航技術的國家。
“最強大腦”
綜合電子分系統被稱為天問一號環繞器的“最強大腦”，負責環繞器全部資訊的管控。
張玉花說，在天問一號環繞器對火星進行探測的過程中，器上的各科學儀器都會產生大量的科學數據，這些數據必須要發回地面由科學家們進行研究，此外，環繞器上的光學導航敏感器和紅外導航敏感器數據也需要發送回地面進行進一步的分析，綜合電子分系統負責對這些原始數據進行處理、儲存，並在合適的時機傳輸回地球。
據她介紹，通常情況下，環繞地球運作的衛星都是由地面控制中心根據衛星的實時狀態和任務要求進行控制的。但與地球衛星不同，火星環繞器由於器地距離遠，通信時間延遲長，往往來不及依靠地面指令對探測器進行實時處理。
此外，深空探測器與地面站通信存在獨特的“日淩”現象，即當探測器、地球和太陽位置處於同一直線時，太陽輻射會干擾地火之間的射頻信號傳輸，導致通信中斷。因此，“日淩”期間，環繞器必須“自己照顧好自己”。
張玉花說，針對這些情況，環繞器綜合電子分系統的研製團隊進行了一系列技術攻關，設計了深空探測長時間無上行指令自主管理機制、整器斷電再恢復功能等，讓環繞器在必要時能“自己照顧好自己”，實現了環繞器在軌自主運作大於60天的能力。
她告訴記者，從環火開始，天問一號就正式成為火星的衛星。後續，天問一號還要進行一次軌道調整和兩次近火制動，屆時天問一號離火星最近距離只有265公里。之後，天問一號探測器會邊環繞邊完成拍照任務，開展預選著陸區探測，計劃于2021年5月至6月擇機實施火星著陸。
“高清攝影師”
2月12日，國家航太局對外發佈天問一號抵達火星軌道過程中的影像。實施此次拍攝任務的工程測量分系統，就是火星捕獲大片背後的“攝影師”，由中國航太科技集團八院509所設計研製。
張玉花表示，為做好天問一號在軌工作狀態的可視化監視，火星環繞器工程測量團隊專門設計了一套由多個“品質小、個頭小、能耗小”的“小塊頭”組成的工程測量分系統，包括固連遙測探頭、近距離遙測探頭和國旗，而實施此次捕獲過程拍照的，便是其中的固連遙測探頭的兩個固連測量感測器。
在飛向火星的旅程中，固連遙測探頭一路監測天問一號的狀態，完成了太陽翼展開過程、定向天線展開監測，在定向天線展開到位的同時拍攝到了地球。
張玉花說，自我國首次自主火星探測工程立項以來，如何做好天問一號在軌飛行可視化監測就成為了研製團隊面對的重要任務之一。火星環繞器工程測量團隊結合全飛行過程，設計了太陽翼展開、定向天線展開、地月拍照、太空自拍、火星拍照、器器分離過程等監測任務。
她告訴記者，在接下來的飛行中，火星環繞器工程測量分系統將繼續開展任務，持續監測太陽翼、定向天線的運作情況監測，實施器器分離過程可視化監測，繼續為天問一號的探測之旅保駕護航。
中青報·中青網記者 邱晨輝
