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4亿公里答“天问” ——我国首次火星探测任务背后的故事
发布日期:2020/7/24 14:04:48  来自:人民政协报

本报记者 王硕

2020-07-24期02版

九天之际,安放安属?随着长征五号运载火箭的成功发射,“天问一号”正在向着火星进发。它将在浩瀚的太空经历7个月左右的长途跋涉,跨越4亿公里的距离,到达火星并开展环绕和巡视探测,尝试为屈原两千多年前的发问寻找答案。

院士联名建议十年努力终成好事

在太阳系的八大行星中,火星与地球最为相似,探测并研究火星对于认识我们人类的家园——地球,有着不可替代的作用。

从上世纪九十年代开始至今,国际火星探测以发展新技术和获得科学发现为主要驱动力,催生了又一个火星探测的新高潮,并在技术发展和科学研究等方面取得巨大的进步。

其中,在技术发展水平方面,国际上已实现对火星的飞掠、环绕、着陆、巡视探测,技术难度更大的采样返回和载人探测仍有待突破技术瓶颈。在科学研究成果方面,国际上通过不同探测形式与任务,在火星轨道运动规律与参数、火星大气、火星地形地貌与地质构造等多方面取得了巨大的成就。

这些探索和成就为我国首次火星探测树立了前进的方向,也向我们探索火星提出了挑战。

回望我国火星探测的历史,其实早在2007年“嫦娥一号”任务取得圆满成功之后,业内专家即开始谋划我国深空探测后续发展。2010年8月,8位院士联名向国家建议,开展月球以远深空探测的综合论证,国防科工局立即组织专家组开展了发展规划和实施方案论证,航天科技集团五院的院士、专家团队积极参与论证工作,对实施方案进行了三轮迭代和深化,最终于2016年1月正式立项实施。

探火之路有多难?

“中国的火星探测任务要一次实现‘环绕’‘着陆’‘巡视探测’目标,这在世界上从来没有哪个国家一次同时实现。”航天科技集团五院火星探测器总设计师孙泽洲如是说。

目标远大,就意味着难度增大。

第一道难关是任务起点高,技术跨度大。

截至今年6月底,世界各国举行了44次火星探测活动,但任务成功概率只有50%左右。由此可见,火星探测任务本身固有的风险非常大。

据航天科技集团五院深空探测专家介绍,此次我国火星探测任务的发射规模非常大,着陆有效质量仅次于美国的“好奇号”,环火探测与国际水平相当;探测器研制中,关联性异常复杂;首次地外有大气天体进入面临诸多技术挑战,比如在轨道、气动、防热、大帆面降落伞等近十个方面,在设计上都要实现新的技术突破和技术跨越。

第二道难关是设计约束新,不确定性大。

面对遥远而未知的星球,“天问一号”奔赴火星的旅程中不可避免地要经受新环境的考验。

就现有我们掌握的资料显示,火星上稀薄大气、风场、尘暴、火面地形地貌等,基础数据非常少,而且不确定性大,崭新的行星际空间环境使得原本风险极高的探测任务难度更上一层楼;而最长旅途高达4亿公里的远距离以及大时延等火星新约束条件,对探测器自主能力要求非常高,

这些情况对于火星成功进入和着陆、测控通信、火星车能源、热控、火面移动等一系列设计,以及电子产品的工艺、环境适应性等方方面面带来巨大挑战和不确定性。

第三道难关是关键技术多,攻关难度大。

在此次火星探测任务中,关键性、唯一性且不可逆的环节非常多,如近火捕获制动、器器分离、进入/下降/着陆、火星车释放分离等关键技术多。“我们这次火星探测任务最核心、最难的地方,就是探测器进入火星大气后气动外形和降落伞减速的过程,只有一次机会,必须确保成功”。对于“探火”任务,孙泽洲总师有着冷静而清晰的认识。对此,研制团队专门设计了全新气动外形、新型降落伞等,这些关键技术攻关难度极大。

第四道难关是验证任务重,试验难度大。

“天问一号”火星探测器上有很多新技术是原来的卫星或者探测器没有使用或者遇到过的。

据航天科技集团五院深空探测专家介绍,许多专项试验不但试验方法、方案确定难,而且火星环境模拟、试验实施、试验结果判定等难度也很大;此外,试验验证的充分性、有效性、覆盖性以及试验仿真验证的难度也极大。

第五道难关是研制周期紧,进度风险大。

我国火星探测起步较晚,所以从任务立项伊始,研制团队就一直在奔跑。“我们起步虽晚但起点很高,从立项到出厂这么快,是大家的光荣和自豪,要珍惜机会。同时,我们还要认真,不做面子工程,要实实在在地去想、去做、去挖。”在火星探测器研制的关键时刻,第十一届、十二届全国政协委员叶培建院士语重心长的话语,坚定了研制团队誓夺成功的信心和稳扎稳打的决心。

自立项以来,中国空间技术研究院(航天科技集团五院)火星研制团队经过1600多个日夜的艰辛鏖战,面对“任务起点高、设计约束新、关键技术多、验证任务重、研制周期紧”等多重难关,以深厚的宇航研制能力,科学组织,在四年多的时间里抓总完成了探测器研制。

期间,方案与初样、初样与正样工作全面交叉、并行,为此,主线任务一刻不停、提前衔接,进度和技术风险高度耦合,全线全程超长工作,这对风险管控提出了极高的要求。此外,火星探测任务属于我国航天重大工程任务,参研单位多达几百家,多线并行、多地并进、多种状态流程串并行,衔接关系极其复杂,协调管理和资源保障难度极大,进度与质量风险统筹把控难度极大,为此,研制团队发挥全国大协作精神,精心策划、精准实施,探测器各系统和全体参研参试人员按照“高质量、高效率、高效益”的要求开展工作,确保了我国首次火星探测任务的顺利进行。

发射成功仅是探火之路第一步

当然,发射成功仅是探火之路的第一步,后续还需要完成地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆、科学探测等一系列关键任务。

通过首次火星探测任务的实施,我国将验证火星制动捕获、进入/下降/着陆、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等关键技术,为建立独立自主的深空探测基础工程体系夯实基础,推动我国深空探测活动可持续发展。

未来七个月,让我们期待“天问一号”一切顺利!


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