天問一號制動捕獲效果圖。中國航天科技集團八院供圖
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。
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，計劃於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鬥導航衛星，在月球探測上也剛邁出“繞、落、回”的第一步。外界很難想象，就是在這一年，中國航天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“日凌期”如何度過？數億公裡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，絕不能假手於別人！”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，團隊裡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天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公裡。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，在這之後的幾年裡，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，成功了就再重複驗證，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仿真試驗中，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質量變化，也考慮了推力方向偏心造成的姿態幹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仿真驗證，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，採用了三模冗餘方案。在團隊多輪設計、仿真及驗證工作下，3臺計算機可確保“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、發動機推力幹擾力矩、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。
“我們運用自己的算法，對一些知名的火星探測任務進行仿真，仿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，南到文昌的溼熱海島，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裡，輾轉八地，披星帶月，奔赴數萬公裡。
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，牛俊坡緩緩鬆了一口氣，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，這位年輕航天人的探火之旅，同樣也在路上。（記者 邱晨輝）
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。中國航天科技集團八院供圖
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”
據中國航天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，環繞器自身乾重被嚴格限制在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、高分辨率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，對於航天器來說，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？
中國航天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，可以利用拍攝的恆星與火星圖像，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算法，來自主獲取實時的位置和速度信息。
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”，負責環繞器全部信息的管控。
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，環繞地球運行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“日凌”現象，即當探測器、地球和太陽位置處於同一直線時，太陽輻射會幹擾地火之間的射頻信號傳輸，導致通信中斷。因此，“日凌”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行大於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公裡。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，計劃於2021年5月至6月擇機實施火星著陸。
“高清攝影師”
2月12日，國家航天局對外發布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”，由中國航天科技集團八院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“質量小、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傳感器。
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、定向天線的運行情況監測，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。
來自天問一號的家書
天問一號制動捕獲效果圖。中國航天科技集團八院供圖
親愛的家人們：
離家200餘天，跋涉4.75億公裡，此時，我終於在距離火星400公裡處成功“剎車”，進入了環火軌道。回首遙望地球家園，已相距2億公裡。家人們一切還好嗎？
我知道，現在家鄉已經是立春之後了，感慨萬千。我在2020年7月的烈日下出發，地球上的你們歷經炎炎夏日，颯颯金秋，瑟瑟寒冬，一路精心守護陪伴著我到春回大地。從我奔火啟程的那一天起，家人們就日夜對我的狀態進行細緻判讀，一路上4次中途修正，一次深空機動，兩次狀態自檢，讓我的旅程溫暖而踏實。
這次近火制動，我更是信心滿滿，有上百位家人在飛控中心集同工作，24小時連續跟蹤；更有航天科技集團五院飛行控制的“最強天團”坐陣，他們中有葉培建院士等16名技術專家和顧問、5名兩總、61名各個崗位的飛控人員，謝謝你們！
我終於進入環繞火星的軌道，可以好好看一看這個紅色星球了。此時此刻，你們與我分享著進入火星軌道的喜悅，我也在和你們共同品味著新春的吉祥。藉此機會在這裡給家人和全國人民拜年！祝大家牛年大吉!
“日月安屬？列星安陳？”中華民族仰望星空留下的種種好奇與疑惑，一直激勵著我去找尋答案，現在家人們最常說的一句話是“徵途漫漫，惟有奮鬥”。
從環火開始，我這顆中國製造的航天器就正式成為火星的衛星啦。接下來，我還要進行一次軌道面調整和兩次近火制動，這樣，我離火星最近的距離就只有265公裡啦，之後就是邊完成環繞拍照任務，邊為3個月後的著陸巡視做好準備。
我將全力以赴，等待我的好消息吧！
天問一號探測器
2021年2月
來源：中國青年報
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