论文部分内容阅读
在人类对浩渺宇宙不断探索的历史上，太阳系的火星总是给人无限期待与遐想。2021年5月15日7时18分，在距离地球3.2亿千米之外，这份遐想就伴随着中国“天问一号”稳稳着陆在火星乌托邦平原南部预选区，渐次转变为令世界惊叹的客观现实，从而也揭开了这颗“红色星球”曾经神秘的面纱。
我国首次火星探测任务着陆火星取得成功！中国航天再次迎来历史性时刻！
“在迎来建党一百周年之际，‘天问一号’探测器着陆火星取得成功，我代表党中央、国务院和中央军委，向你们致以热烈的祝贺和诚挚的问候！”习近平总书记发来贺电，“‘天问一号’探测器着陆火星，迈出了我国星际探测征程的重要一步，实现了从地月系到行星际的跨越，在火星上首次留下中国人的印迹，这是我国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展。你们勇于挑战、追求卓越，使我国在行星探测领域进入世界先进行列，祖国和人民将永远铭记你们的卓越功勋！”
总书记发来贺电，令中国首次火星探测任务总设计师张荣桥和他的团队都流下了激动的眼泪。“我们经过了6年的研制生产，在发射场坚持了110多天，发射之后向着火星飞行了202天，之后在环火轨道又日夜坚守了93天，为的就是今天的成功着陆，我们如期实现了这个目标，完成了对国家的承诺。”总设计师张荣桥如是说。他深知“天问一号”成功的背后凝聚着全国各行各业科技自主创新丰厚的资源支撑：“这也是我们国防科技工作者献给建党百年华诞的一份科技大礼！”
在“迎来建党一百周年之际”这个时间节点背后，蕴含着历史唯物主义的强大力量。功成不必在我，功成必定有我。在建党百年之际，到火星这颗“红色星球”上去，既是一种科技实力的表达，更是一种精神力量的传承——在追求卓越的道路上，我们只能止于至善;在实现中华民族伟大复兴的征程中，我们注定勇往直前。
“跳一跳能够摘到手的桃子！”
回眸“天问一号”探测器的成功之路，人们又怎能不感慨万千呢！曾几何时，到火星去是我们遥不可及的梦想。但中国航天的发展之路表明，航天事业作为一个国家高科技实力的代表，只有通过实施国家重大工程引领，才能在世界日趋激烈的科技竞争中勇立潮头。
历史的丰碑镌刻着这样的征程。我国首次火星探测任务立项于2016年。时任月球探测工程总指挥栾恩杰坦言：“即使以我國目前的载人航天和月球探测工程等科技实力来衡量，高质量发射第一颗火星探测卫星也是一项复杂的深空探测系统工程，具有相当的科学难度和工程技术难度，需要全国各行各业丰厚的科技自主创新资源和雄厚的国家实力作为支撑。”特别是当年就规划着要能够一次性实现环绕、着陆、巡视火星探测任务。而这种形式在目前已知的国外火星探测实践中史无前例。国外曾经有过尝试“环绕与着陆并行”的案例，但多以失败告终。可见，中国火星探测工程计划一次性完成“绕、落、巡”三项任务，具有相当大的挑战性。
火星探测的科研与工程技术难度，加之26个月才能遇到一个发射时间窗口的特殊性，要求我国的航天科学家和工程技术专家们必须以高度的责任心、时不我待的紧迫感，科学确定并严密制订工程计划，全力争取在2020年这一时间窗口，成功发射我国第一个火星探测器。
“这是我们经过艰苦努力和科技自主创新，跳一跳完全能够摘到手的桃子！”时为中国航天科技集团五院火星项目顾问的叶培建院士在央视新闻频道《面对面》栏目中直言，“如果我们再不抓紧中国火星探测计划的组织实施，我们将愧对后人！”
“恐怖9分钟”的严峻考验
自2020年7月23日“天问一号”探测器在海南文昌由长征五号运载火箭成功发射以来，她在地火转移阶段先后完成了1次深空机动和4次中途修正，并于2021年2月10日成功实施火星捕获，进入大椭圆环火轨道，成为我国第一颗人造火星卫星。2月24日，“天问一号”探测器成功实施第三次近火制动，进入火星停泊轨道，开展了为期92天的环绕探测，对火星开展全球遥感探测，并对预选着陆区进行详查，探测分析地形地貌、沙尘天气等，为顺利着陆火星奠定了基础。
而着陆火星是此次“天问首旅”的最大挑战。“其难度被形容为相当于从巴黎打一个高尔夫球，正好落到东京的洞里。”因此，这个过程又被称为最为凶险、最为惊心动魄的“恐怖9分钟”。目前已知的人类火星探测任务成功率仅有50% 左右，就是因为大部分航天器都折戟在“进入/下降/着陆（简称EDL）”阶段。
“火星探测最大的难点就是EDL，这个过程需要融合气动外形、降落伞、发动机、多级减速和着陆反冲等多项技术才能实施软着陆。每个环节都必须确保精准无误，差一秒都可能造成整个任务的失败。”航天科技集团五院“天问一号”探测器总设计师孙泽洲如是说。
虽然此前我国已有月表着陆经验，但是此次“天问一号”火星软着陆任务更加艰难。一方面，火星表面存在大气，但大气密度只是地球大气的1%左右;另一方面，着陆时火星与地球相距约3.2亿千米，通信时延达到20分钟，如此遥远的距离让地控中心根本来不及对整个着陆过程做任何处置，所有的艰难处置都只能靠“天问一号”自主完成。
整个着陆过程是这样记录的：5月15日凌晨4时许，由中国航天科技集团五院研制的“天问一号”火星探测器成功实施两器（环绕器、着陆巡视器）分离;由中国航天科技集团八院研制的环绕器则在释放着陆巡视器后再次返回环火轨道，成为着陆巡视器与地球的通信中继站，同时继续进行火星环绕探测。环绕器作为搭载着陆巡视器的星际“专车”，需要顺序完成轨道降低发动机点火和关机、两器分离姿态建立、两器分离后轨道升高发动机点火和关机等系列动作。“可以说，器器分离的过程是对控制算法精度、产品工作可靠性、故障预案周密性等最充分的考验。”
3小时后，着陆巡视器成功穿越并借助火星大气，进行气动减速;这套动作完成后，此刻着陆巡视器的下降速度也递减了90%左右。这个过程中，它克服了高温和姿态偏差，打开降落伞，实施伞系减速降速;当速度降至100米/秒时，着陆巡视器通过反推发动机再次减速，即由大气减速阶段进入动力减速阶段。在距离火星地表100米时，“天问一号”进入悬停阶段，着陆巡视器在缓冲机构的保护下，实现在火星表面软着陆。整个着陆过程，“天问一号”的速度在9分钟内从约2万千米/时降至零。成功软着陆的中国“天问一号”在火星乌托邦平原南部稳稳屹立。
国防科技工业及相关行业在首次火星探测任务中发挥出全国大协作精神。仅以中国电科为例，为全面保障“天问一号”成功着陆火星，他们发挥了科学载荷、测控通信系统方面的技术优势，提供了大量设备和技术支持。如配套研发的我国首款环绕器雷达，作为7个火星环绕器探测设备之一，为火星探测加装了一双慧眼，使精准探测不再是难题;如配备的系列测控设备，为火星探测器在茫茫“星辰大海”中测轨定位保驾护航;研发的锂氟化碳电池组，实现了锂氟化碳电池在深空探测器上首次应用，有效减少了电源产品高温下的自放电率，实现了能量在轨长期贮存;配套的电机、传感器、滤波器、功率模块、低噪声放大器、二极管、固放、变频组件等多款关键核心元器件，满足了火星探测组件小型化、高可靠的要求。
又如“天问一号”在以完美角度切入火星大气时，巨大的通信时延，使地面测控设备无法实时对着陆器（含火星车）在最后“落火”阶段进行测控而陷入“黑暗时间”。为了让“黑暗时间”不再黑暗，中国电科对系列深空测控站进行研发升级，以更好的性能执行地面遥控、遥测、高精度目标导航及数据接收等任务。通过组阵技术，他们将4 套35 米深空天线进行组阵合成，这也是我国首个35 米深空探测天线阵，可以实现对远在4 亿千米以外的火星探测器进行极高灵敏度的微弱信号组阵接收，极大增强地面系统的接收能力。该组阵系统采用高性能的实时及事后多天线信号组阵合成算法，通过多天线系统的综合资源调度以及任务管理，实现天线单元间高同步高精度的时频信号分发以及数字化采样，从而为“天问一号”探测器传回的微弱信号提供高质量接收服务。
除4套35米深空天线组阵系统，中国电科还研制了亚洲最大单口径70米全可动天线。该天线具备稳定接收微弱人造数据信号和感知极微弱宇宙自然天体辐射电磁波等功能，为接收“天问一号”探测器传回的科学数据提供坚实保障。为保证天线指向精度，研制團队采用了多电机控制、抗阵风扰动以及多参数指向标定修正等多项新技术，使天线指向精度大幅提升。他们还采用了副面赋形和实时吻合、反射体温度场控制等多个专项技术，提高了天线主反射面面形精度。此外，根据火星探测任务各弧段应用场景，中国电科对佳木斯66m深空测控站进行了适应性改造。改造后，其与喀什深空测控站、阿根廷深空测控站协同工作，形成全球覆盖，全力保障火星探测任务的完成。采用DOR（差分单向测距）等方式与其他深空站协同进行干涉测量形成轨道预报，经过连续数天降轨参数试算确定进入大气初始点位置;降轨机动前约8小时，在佳木斯深空站测控弧段内，地面注入进入大气初始点和导航数据等关键指令，引领着陆器完成避障并安全着陆。为全部有效利用“降火”数据，获取更多关于落火初始阶段着陆器信息，研发团队通过数据慢帧处理策略的优化，实现了低码率数传信号接收功能，做到信息首帧输出即能上报，提高信息有效帧数量，得到更多关于着陆巡视器降落时的宝贵信息。
火星探测是一项科学探索性强的工程，到达火星后的“祝融号”火星车如何有效获取科学探测数据，对于科学研究来说极其重要。
“天问一号”成功着陆后，她首先将着陆信息通过环绕器转发地面。然后，着陆器和将执行巡视任务的“祝融号”火星车先后完成坡道及太阳翼天线展开，“祝融号”在第一时间将成功展开的消息传回地面。一切准备就绪后，根据地面指令，“祝融号”自主驶离着陆器平台，平稳抵达火星地表，开始首轮巡视征程。
受到火星苛刻环境的影响，“祝融号”的巡视以3 天为一个工作周期。如遭遇强风掀起大量沙尘、石块，形成特大沙暴，对“祝融号”的生存会造成严峻考验。针对这样的情况，设计师使用了新型材料。这种材料不易沾上灰尘，即使沾上，也可以通过振动将其抖落。火星表面还密布着石块等障碍物，“祝融号”的行驶需要更加“小心翼翼”。为此，科学家们在北京的航天五院实验室中，设置有一台与“祝融号”一模一样的火星车。当“祝融号”遇到火星复杂路况时，地球上的火星车将对火星路况进行模拟行驶，确认无误后才会发出行进指令。但即或是这样，“祝融号”火星车每次也只能“工作”一两个小时，工作内容主要包括环境感知、科学探测、数据下传等。
“祝融号”火星车上搭载了6台载荷，分别是多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机。它们共有五大使命，主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究，将带来火星的第一手资料。其中，与气象有关的研究项目将收集温度、气压、风速和风向的大气数据，并研究火星的磁场和重力场。
5月19日，国家航天局发布我国首次火星探测“天问一号”任务执行图像，包括探测器着陆过程两器分离和着陆后火星车拍摄的影像。这些图像表明着陆平台和“祝融号”火星车的驶离坡道、太阳翼、天线等机构展开正常到位。在陆续发布令世界惊喜的更多图像后，国家航天局宣布：“天问一号”火星探测任务圆满成功！同时指出：这只是我国“行星探测重大工程”整体规划中的第一次任务，后续还规划了小行星探测、火星取样返回、木星系及行星穿越探测。相信未来的深空探测会给国人带来更多值得期待的传奇故事，为探索宇宙奥秘、促进人类和平与发展的崇高事业作出新的更大贡献！
我国首次火星探测任务着陆火星取得成功！中国航天再次迎来历史性时刻！
“在迎来建党一百周年之际，‘天问一号’探测器着陆火星取得成功，我代表党中央、国务院和中央军委，向你们致以热烈的祝贺和诚挚的问候！”习近平总书记发来贺电，“‘天问一号’探测器着陆火星，迈出了我国星际探测征程的重要一步，实现了从地月系到行星际的跨越，在火星上首次留下中国人的印迹，这是我国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展。你们勇于挑战、追求卓越，使我国在行星探测领域进入世界先进行列，祖国和人民将永远铭记你们的卓越功勋！”
总书记发来贺电，令中国首次火星探测任务总设计师张荣桥和他的团队都流下了激动的眼泪。“我们经过了6年的研制生产，在发射场坚持了110多天，发射之后向着火星飞行了202天，之后在环火轨道又日夜坚守了93天，为的就是今天的成功着陆，我们如期实现了这个目标，完成了对国家的承诺。”总设计师张荣桥如是说。他深知“天问一号”成功的背后凝聚着全国各行各业科技自主创新丰厚的资源支撑：“这也是我们国防科技工作者献给建党百年华诞的一份科技大礼！”
在“迎来建党一百周年之际”这个时间节点背后，蕴含着历史唯物主义的强大力量。功成不必在我，功成必定有我。在建党百年之际，到火星这颗“红色星球”上去，既是一种科技实力的表达，更是一种精神力量的传承——在追求卓越的道路上，我们只能止于至善;在实现中华民族伟大复兴的征程中，我们注定勇往直前。
“跳一跳能够摘到手的桃子！”
回眸“天问一号”探测器的成功之路，人们又怎能不感慨万千呢！曾几何时，到火星去是我们遥不可及的梦想。但中国航天的发展之路表明，航天事业作为一个国家高科技实力的代表，只有通过实施国家重大工程引领，才能在世界日趋激烈的科技竞争中勇立潮头。
历史的丰碑镌刻着这样的征程。我国首次火星探测任务立项于2016年。时任月球探测工程总指挥栾恩杰坦言：“即使以我國目前的载人航天和月球探测工程等科技实力来衡量，高质量发射第一颗火星探测卫星也是一项复杂的深空探测系统工程，具有相当的科学难度和工程技术难度，需要全国各行各业丰厚的科技自主创新资源和雄厚的国家实力作为支撑。”特别是当年就规划着要能够一次性实现环绕、着陆、巡视火星探测任务。而这种形式在目前已知的国外火星探测实践中史无前例。国外曾经有过尝试“环绕与着陆并行”的案例，但多以失败告终。可见，中国火星探测工程计划一次性完成“绕、落、巡”三项任务，具有相当大的挑战性。
火星探测的科研与工程技术难度，加之26个月才能遇到一个发射时间窗口的特殊性，要求我国的航天科学家和工程技术专家们必须以高度的责任心、时不我待的紧迫感，科学确定并严密制订工程计划，全力争取在2020年这一时间窗口，成功发射我国第一个火星探测器。
“这是我们经过艰苦努力和科技自主创新，跳一跳完全能够摘到手的桃子！”时为中国航天科技集团五院火星项目顾问的叶培建院士在央视新闻频道《面对面》栏目中直言，“如果我们再不抓紧中国火星探测计划的组织实施，我们将愧对后人！”
“恐怖9分钟”的严峻考验
自2020年7月23日“天问一号”探测器在海南文昌由长征五号运载火箭成功发射以来，她在地火转移阶段先后完成了1次深空机动和4次中途修正，并于2021年2月10日成功实施火星捕获，进入大椭圆环火轨道，成为我国第一颗人造火星卫星。2月24日，“天问一号”探测器成功实施第三次近火制动，进入火星停泊轨道，开展了为期92天的环绕探测，对火星开展全球遥感探测，并对预选着陆区进行详查，探测分析地形地貌、沙尘天气等，为顺利着陆火星奠定了基础。
而着陆火星是此次“天问首旅”的最大挑战。“其难度被形容为相当于从巴黎打一个高尔夫球，正好落到东京的洞里。”因此，这个过程又被称为最为凶险、最为惊心动魄的“恐怖9分钟”。目前已知的人类火星探测任务成功率仅有50% 左右，就是因为大部分航天器都折戟在“进入/下降/着陆（简称EDL）”阶段。
“火星探测最大的难点就是EDL，这个过程需要融合气动外形、降落伞、发动机、多级减速和着陆反冲等多项技术才能实施软着陆。每个环节都必须确保精准无误，差一秒都可能造成整个任务的失败。”航天科技集团五院“天问一号”探测器总设计师孙泽洲如是说。
虽然此前我国已有月表着陆经验，但是此次“天问一号”火星软着陆任务更加艰难。一方面，火星表面存在大气，但大气密度只是地球大气的1%左右;另一方面，着陆时火星与地球相距约3.2亿千米，通信时延达到20分钟，如此遥远的距离让地控中心根本来不及对整个着陆过程做任何处置，所有的艰难处置都只能靠“天问一号”自主完成。
整个着陆过程是这样记录的：5月15日凌晨4时许，由中国航天科技集团五院研制的“天问一号”火星探测器成功实施两器（环绕器、着陆巡视器）分离;由中国航天科技集团八院研制的环绕器则在释放着陆巡视器后再次返回环火轨道，成为着陆巡视器与地球的通信中继站，同时继续进行火星环绕探测。环绕器作为搭载着陆巡视器的星际“专车”，需要顺序完成轨道降低发动机点火和关机、两器分离姿态建立、两器分离后轨道升高发动机点火和关机等系列动作。“可以说，器器分离的过程是对控制算法精度、产品工作可靠性、故障预案周密性等最充分的考验。”
3小时后，着陆巡视器成功穿越并借助火星大气，进行气动减速;这套动作完成后，此刻着陆巡视器的下降速度也递减了90%左右。这个过程中，它克服了高温和姿态偏差，打开降落伞，实施伞系减速降速;当速度降至100米/秒时，着陆巡视器通过反推发动机再次减速，即由大气减速阶段进入动力减速阶段。在距离火星地表100米时，“天问一号”进入悬停阶段，着陆巡视器在缓冲机构的保护下，实现在火星表面软着陆。整个着陆过程，“天问一号”的速度在9分钟内从约2万千米/时降至零。成功软着陆的中国“天问一号”在火星乌托邦平原南部稳稳屹立。
支撑“天问一号”潇洒着陆的科技力量
国防科技工业及相关行业在首次火星探测任务中发挥出全国大协作精神。仅以中国电科为例，为全面保障“天问一号”成功着陆火星，他们发挥了科学载荷、测控通信系统方面的技术优势，提供了大量设备和技术支持。如配套研发的我国首款环绕器雷达，作为7个火星环绕器探测设备之一，为火星探测加装了一双慧眼，使精准探测不再是难题;如配备的系列测控设备，为火星探测器在茫茫“星辰大海”中测轨定位保驾护航;研发的锂氟化碳电池组，实现了锂氟化碳电池在深空探测器上首次应用，有效减少了电源产品高温下的自放电率，实现了能量在轨长期贮存;配套的电机、传感器、滤波器、功率模块、低噪声放大器、二极管、固放、变频组件等多款关键核心元器件，满足了火星探测组件小型化、高可靠的要求。
又如“天问一号”在以完美角度切入火星大气时，巨大的通信时延，使地面测控设备无法实时对着陆器（含火星车）在最后“落火”阶段进行测控而陷入“黑暗时间”。为了让“黑暗时间”不再黑暗，中国电科对系列深空测控站进行研发升级，以更好的性能执行地面遥控、遥测、高精度目标导航及数据接收等任务。通过组阵技术，他们将4 套35 米深空天线进行组阵合成，这也是我国首个35 米深空探测天线阵，可以实现对远在4 亿千米以外的火星探测器进行极高灵敏度的微弱信号组阵接收，极大增强地面系统的接收能力。该组阵系统采用高性能的实时及事后多天线信号组阵合成算法，通过多天线系统的综合资源调度以及任务管理，实现天线单元间高同步高精度的时频信号分发以及数字化采样，从而为“天问一号”探测器传回的微弱信号提供高质量接收服务。
除4套35米深空天线组阵系统，中国电科还研制了亚洲最大单口径70米全可动天线。该天线具备稳定接收微弱人造数据信号和感知极微弱宇宙自然天体辐射电磁波等功能，为接收“天问一号”探测器传回的科学数据提供坚实保障。为保证天线指向精度，研制團队采用了多电机控制、抗阵风扰动以及多参数指向标定修正等多项新技术，使天线指向精度大幅提升。他们还采用了副面赋形和实时吻合、反射体温度场控制等多个专项技术，提高了天线主反射面面形精度。此外，根据火星探测任务各弧段应用场景，中国电科对佳木斯66m深空测控站进行了适应性改造。改造后，其与喀什深空测控站、阿根廷深空测控站协同工作，形成全球覆盖，全力保障火星探测任务的完成。采用DOR（差分单向测距）等方式与其他深空站协同进行干涉测量形成轨道预报，经过连续数天降轨参数试算确定进入大气初始点位置;降轨机动前约8小时，在佳木斯深空站测控弧段内，地面注入进入大气初始点和导航数据等关键指令，引领着陆器完成避障并安全着陆。为全部有效利用“降火”数据，获取更多关于落火初始阶段着陆器信息，研发团队通过数据慢帧处理策略的优化，实现了低码率数传信号接收功能，做到信息首帧输出即能上报，提高信息有效帧数量，得到更多关于着陆巡视器降落时的宝贵信息。
“祝融号”有效展开火星巡视探测
火星探测是一项科学探索性强的工程，到达火星后的“祝融号”火星车如何有效获取科学探测数据，对于科学研究来说极其重要。
“天问一号”成功着陆后，她首先将着陆信息通过环绕器转发地面。然后，着陆器和将执行巡视任务的“祝融号”火星车先后完成坡道及太阳翼天线展开，“祝融号”在第一时间将成功展开的消息传回地面。一切准备就绪后，根据地面指令，“祝融号”自主驶离着陆器平台，平稳抵达火星地表，开始首轮巡视征程。
受到火星苛刻环境的影响，“祝融号”的巡视以3 天为一个工作周期。如遭遇强风掀起大量沙尘、石块，形成特大沙暴，对“祝融号”的生存会造成严峻考验。针对这样的情况，设计师使用了新型材料。这种材料不易沾上灰尘，即使沾上，也可以通过振动将其抖落。火星表面还密布着石块等障碍物，“祝融号”的行驶需要更加“小心翼翼”。为此，科学家们在北京的航天五院实验室中，设置有一台与“祝融号”一模一样的火星车。当“祝融号”遇到火星复杂路况时，地球上的火星车将对火星路况进行模拟行驶，确认无误后才会发出行进指令。但即或是这样，“祝融号”火星车每次也只能“工作”一两个小时，工作内容主要包括环境感知、科学探测、数据下传等。
“祝融号”火星车上搭载了6台载荷，分别是多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机。它们共有五大使命，主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究，将带来火星的第一手资料。其中，与气象有关的研究项目将收集温度、气压、风速和风向的大气数据，并研究火星的磁场和重力场。
5月19日，国家航天局发布我国首次火星探测“天问一号”任务执行图像，包括探测器着陆过程两器分离和着陆后火星车拍摄的影像。这些图像表明着陆平台和“祝融号”火星车的驶离坡道、太阳翼、天线等机构展开正常到位。在陆续发布令世界惊喜的更多图像后，国家航天局宣布：“天问一号”火星探测任务圆满成功！同时指出：这只是我国“行星探测重大工程”整体规划中的第一次任务，后续还规划了小行星探测、火星取样返回、木星系及行星穿越探测。相信未来的深空探测会给国人带来更多值得期待的传奇故事，为探索宇宙奥秘、促进人类和平与发展的崇高事业作出新的更大贡献！