关于天问一号事实论据

5月19日，国家航天局发布了火星探测天问一号任务探测器着陆过程两器分离和着陆后火星车拍摄的影像，再次引发公众关注。

作为中国第一次真正意义上的深空之旅，火星探测的重要性和挑战性都不同于以往。利箭腾飞、祝融巡火的壮丽背后，是不容毫秒偏差的精准、是连一个弹簧都非比寻常的高科技，是从机械力学到计算机、新材料、岩土工程等多学科领域的综合，更是无数科研工作者的付出。除了我们所熟悉的发射者、设计者之外，天问一号背后还有哪些幕后功臣？他们赋予了天问一号哪些高超性能？让我们一起走近他们。

“地火传书”背后的通信员：

“‘祝融号’抵达后，我的生活就进入了火星时间”

5月19日晚上7点，中国航天科技集团八院天问一号环绕器软件主任设计师张海吃过晚饭，准时来到北京航天飞行控制中心。在和白班同事进行报表交接后，他和夜班的其他同事来到会议室，讨论汇报这一天火星探测器的运行情况。

“一切正常。”张海欣慰地说，自“祝融号”5月17日首次与环绕器建立通信链路，传回“第一封家书”后，目前状态不错，通信网络也十分通畅，后期定会有更多数据传回。

天问一号探测器主要由环绕器和着陆巡视器（含“祝融号”火星车）两部分组成。前期，环绕器是搭载“祝融号”的星际专车。在将“祝融号”安全送达火星后，环绕器上升至中继轨道，此后数月它将变身通信器，建立起“祝融号”与地球之间的中继通信。

地球到火星的距离是到月球距离的1000倍，最远超过4亿公里。4亿公里“长途通信”，难度可想而知。环绕器总体主任设计师牛俊坡告诉记者：“地面站与探测器间通信是通过无线电波实现的，距离越远信号衰减越大，我们接收到的信号就越微弱。此外，这种超远距离还会导致通信延时变长，一条信息从火星传回地球，最久要22分钟。更难的是，环绕器处于不断飞行运动中，不是全天候对准地球的，而信息又必须在它以特定角度、稳定姿态对准地球的情况下才能传回。”

在火星车着陆初期阶段，火星车与地面的通信通过环绕器采用UHF频段+X频段两种中继通信方式进行。为保证通信质量，团队为环绕器配置了最强“千里眼”“顺风耳”——深空应答机加高增益收发天线。X频段深空应答机负责环绕器与地面的通信，UHF频段收发信机负责“祝融号”与环绕器之间通信，再加上2.5米口径的大天线，共同构成一个立体通信网。

牛俊坡笑称，自“祝融号”抵达后，自己的生活就进入了火星时间。在飞控人员面前的显示器上，记者看到三种时间，一个是北京时间，一个是遥测时间，即最近一项数据从火星上传回来的时间；还有一个，就是牛俊坡说的火星时间。工作人员将“祝融号”着陆的那一刻设为第一个火星日，到今天，已经是第十个火星日了。在这些紧张忙碌的火星日里，包括张海在内的8名工作人员被分成测控岗和综合电子岗，前者负责地面、环绕器、火星车之间的通信，后者负责遥控指令处理等，24小时不间断对天问一号进行监测遥控。这样高密集的工作将一直持续到本月月底。

天问已至，求索无疆。牛俊坡笑着说，这还不是最累的时候，等通信工作结束后，环绕器将对火星进行遥感探测直到寿命结束。“现在它在中继轨道，一天绕火星转三圈；到了遥感轨道，一天就不止三圈了，任务量会更多。”

成功着陆背后的“造星人”：

“把危险提前模拟出来，让它学会怎么处理”

5月15日，天问一号着陆巡视器降落在火星乌托邦平原南部。“稳了！”得知这一消息，天津大学建筑工程学院教授蒋明镜欢呼起来，像是自己学生考上理想高校一样。

如果把此次火星登陆比作高考，那发射前的试验就是模拟考，而蒋明镜教授和他的“北洋能源与环境岩土团队”就是“出卷老师”。火星探测器的着陆时间一般为7—8分钟，这几分钟无法进行人工控制，一切全要靠“祝融号”自己来完成。为了让“祝融号”“一次考过”，蒋明镜团队花了两年时间，在河北省怀来县模拟建造了一个火星表面，让“祝融号”在此提前验证那决定成败的着陆过程。

蒋明镜的主要研究方向是岩土工程，他和石头、土块打了几十年交道，之前也参与过月壤模拟研究。但这次火星地表模拟，对他依然是个不小的挑战。

“火星引力仅为地球的38%，地形复杂，北半球是被熔岩填平的低原，南半球是充满陨石坑的高地，中间以斜坡分隔，火山地形穿插其中，比月球复杂多了！”蒋明镜说，为了尽可能真实还原，团队建造了多个场景，不仅模拟了火星地貌特征还模拟了重力、激光特征等。

“为保万无一失，我们做了多种极端工况，把不利因素都考虑了进去，什么样最危险，我们都提前模拟出来，让它学会怎么处理。”蒋明镜介绍，光陨石坑，团队就做了几十个。目的是为了让“祝融号”着陆时能够识别，不降落在上面。“因为陨石坑不平整，且坑内土壤的力学性能不明确，降落在上面可能会导致着陆器倾倒。”

“祝融号”落在什么样的地方最好？这次着陆点选在乌托邦平原南部有什么考虑？

蒋明镜说，选在这里着陆，一方面是出于安全考虑，这里地形平缓，陨石坑较少，另一方面也源于这个地方的科学考察价值。如果仅从安全性上说，理想情况是降落在平缓的表面上。“有点像立定跳远，必须落到沙场里面，如果那附近有一块石头，就不能往上踩，踩上去脚就要扭了。”蒋明镜表示，即便落在“沙场”上，也还得保证“祝融号”不会陷进去。为此，团队模拟研究了火星土壤的承载力，提前预估了这些土大约能承载多大重量。

今年32岁的石安宁是天津大学岩土工程专业的博士生，也是蒋明镜团队中的一员。他告诉记者，前半年，他们主要是在“实验室里造土”：“这是我们首次登陆火星，火星土壤什么样，谁也没见过。所以我们一方面参考了国外已有的火星探测资料，另一方面是依据团队之前研究月球土壤模拟物的经验。最后选取火山灰作为原材料，在实验室内进行物理力学试验。”

整个“造星”过程，最难的环节是施工。石安宁回忆：“为了保证按时发射，场地建设一直在赶工期，但怀来一年中大部分时间都是低温大风天气，对施工影响很大。”

克服重重困难，2019年9月，项目如期完工。当年10月到11月，这里进行了7次着陆器悬停避障试验。蒋明镜还记得，2019年11月14日，首次对外公开试验当天，怀来夜晚的温度已降到零度以下。在寒冷的北风中，他怀着紧张又期待的心情目睹火星探测器升到空中六七十米高度，点火后缓慢降落到中间高度，悬停四五分钟后，平稳落在地面上。现场十几个国家的驻华大使，都赞叹不已，那一刻，蒋明镜觉得，一切辛苦都值了。

而对石安宁来说，他目前最期待下一步天问二号的火星取土返回：“我很想研究一下真实的火星土壤有什么物理力学性能，如果以后国家建设火星基地，就可以提供帮助。”

轻装上天背后的“瘦身教练”

“探测器多一克重量，增加的发射成本远超一克黄金”

奔向火星，要克服地球强大的引力，这要求天问一号探测器的总重量不能超过5000公斤。但远途旅行，天问一号要带不少“行李”——光推进剂就至少2500公斤。为了上天，天问一号不得不自己瘦下来——它的结构部件应用了世界上最轻的金属结构材料之一——新型镁锂合金。

“密度低、抗电磁干扰、抗辐射……”谈起镁锂合金的优点，西安交通大学材料科学与工程学院教授柴东朗如数家珍。

作为这一材料的研发者，早在2005年，柴东朗就开始了这项研究，灵感源自和朋友的一次聊天。“航天探测器要飞到遥远的宇宙，太胖肯定不行。”从搞航天工程的朋友口中，柴东朗得知，重量对卫星发射和火箭推力有着巨大的影响。过去，航天的主体材料大部分是铝合金，因为航天器对材料的强度及密度要求很高，只有铝合金能满足。“当时，我正在做碳化硅增强铝基复合材料的研究，这种材料性能虽高，但其密度与铝相仿。我就想能不能把它做轻一点？”柴东朗说，在所有金属中，锂的密度最低。他先试着把锂加了进去，材料的重量是减轻了，可强度也变低了。于是他又用其他合金化手段来提升材料的强度及耐热性、耐腐蚀性。在团队的不懈努力下，终于试验成功。此后，又进行开发应用，先后用了10年时间，新型镁锂合金才最终面世。与铝合金相比，同样大小，它的重量仅是铝合金的一半。

对于航天产业而言，重量减轻除了能减少对火箭推力的要求，还有一个重要意义是省钱。“探测器多一克的重量，增加的发射成本远超一克黄金。”镁锂合金生产制造方这样表示。

2016年12月22日，柴东朗在酒泉卫星发射中心亲眼目睹了自己多年的技术成果落地。那一天，长征二号丁运载火箭搭载着高分辨率微纳卫星顺利升空。这颗卫星的整体结构材料采用的就是镁锂合金。卫星升空那一刻，柴东朗没忍住，掉下了眼泪：“心情是很激动的。因为低密度的镁锂合金国外之前就有了，但咱们国家一直没有，国外也不卖给咱们。现在我们终于用上自己的新材料了！”发射结束后，柴东朗还特意去了为航天事业献身的烈士们的陵园。中国航天人一丝不苟、为国奉献的事迹让他再一次心潮澎湃。

如今，柴东朗已年逾七旬，他最初研究镁锂合金时的一头黑发也染上了岁月的风霜。但他依旧闲不下来。这几年，他带领团队对镁锂合金进行进一步改良，这次用在天问一号上的就是改进升级后的。“通过制备工艺改进及成分调整，现用的镁锂合金密度更低，大概是每立方厘米1.5克左右。而我们现在研制的第二代镁锂合金密度比这个还要低。目前，实验室的研发工作已经基本上完成了，希望能用到以后的航天产品上面。”

天问一号发明者

天问一号的总设计师张荣桥

天问一号有哪些功能

相控阵敏感器：首次亮相的太空“千里眼”

在天问一号着陆火星过程中，航天科工二院25所自主研发的相控阵敏感器首次实现地外天体着陆测量，发挥了关键作用。

据介绍，相控阵敏感器安装在火星着陆巡视器进入舱着陆平台的下方，作用范围达数十千米，可谓火星探测器的太空“千里眼”。它和其他不同原理的测量敏感器一起，密切配合，“接力”引导航天器平安落地。

相控阵敏感器在航天器进入火星大气后，距火星表面约 7公里高度时开始工作，持续提供相对于火星表面多个方向的距离、速度数据，用于航天器的减速、悬停和软着陆控制，直至着陆巡视器降落至火星表面约5米处。

航天器从130多公里的高空进入火星大气，时速高达每秒5.9公里，要在短短7分钟的时间内，让航天器的速度降低到零，是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻。

相控阵敏感器总工程师孙武介绍，这是国内首次将相控阵体制雷达应用于地外天体着陆测量。与此前的载人航天工程任务不同，火星和地球之间距离漫长，通信存在十几分钟的时延，在地球上无法控制着陆过程，必须让着陆巡视器自主完成这‘黑色七分钟’的旅程，对敏感器提出的要求极为苛刻。

“相比于国内外已有的着陆测量雷达，相控阵体制的雷达天线由多个辐射单元组成，就像生物学中蜻蜓的复眼，具有波束扫描快、指向灵活、目标容量大、抗干扰能力强等特点。”孙武详细介绍了新体制敏感器的技术优势。

“25所研制的相控阵敏感器可以提供9个方向的测量功能，探测的方向可以通过软件定义，航天器可以切换其中任意4个方向同时测量距离速度信息，从而快速修正航天器的姿态测量误差，准确地找到火星的水平面，确保着陆器的方向控制准确无误。”

相控阵敏感器主任设计师刘佳透露，火星着陆巡视器在下降过程中，会经历多种工作环境。与之前落月任务相比，由于火星重力比月球大，着陆下降加速度会更快，需要利用火星大气进行降落伞减速。在高速下落过程中打开降落伞，航天器会因减速冲击发生剧烈摆动，是影响着陆成败的关键时刻。

“这一瞬间，在相控阵敏感器的测量方向上，距离会有很大的变化，同时部分测量信号会打到地平线以上，出现检测不到目标的情况。”刘佳说，“对相控阵敏感器来说，就像在快速荡秋千时，眼睛要看清地面一页纸上写的字。”

测量速度快、受干扰影响小，相控阵敏感器为着陆成功提供了坚强保障。

此外，火星上时常会发生剧烈的尘暴天气，在巡视着陆器靠近火星表面时，航天器发动机喷射也会激起地面的粉尘和沙砾，对探测传感器造成影响。

“微波信号体制应对这种环境具有相对优势，”软件设计师徐秋锋说，“在这个前提下，产品在信号频段选择上做了充分的对比和论证，采用多种算法进行了综合优化，并在沙漠戈壁通过直升机气流模拟试验了在沙尘暴天气中的工作状态，确保测量的可靠性。”

深空探测任务的特点决定火星探测器需要在太空长时间工作，因而对自身的重量和体积提出了极为严苛的要求。目前国际普遍使用的着陆雷达，需要多个雷达天线实现不同方向的测量，而该型相控阵敏感器采用了瓦片式收发模块高密度集成，使用一套天线即可实现120°视场内任意方向的精确测量，极大降低了产品重量和体积。“相当于用 1套设备完成9套传统设备的功能。”设计师贾学振介绍，“这意味着航天器可以携带更多科学载荷和燃料，完成更多的探测任务。”

“定制化设计”：为平稳着陆提供多重保障

应用降落伞减速，是确保探测器平稳着陆的关键环节之一。在任务前期，需要开展试验反复验证。

航天科工三院三部研制的“定制化”火箭制导舱，成功将4发试验火箭准确控制到试验预定高度、速度和姿态角窗口，有效验证了探测器着陆降落伞的各项指标。试验火箭一体化制导舱能够在火箭初始发射阶段和30公里以上高度飞行时，实现对火箭姿态的精准稳定控制。

天问一号离轨着陆阶段，三院33所研制的石英挠性加速度计提供了准确的加速度测量信息，帮助着陆巡视器实时获取速度、位置等信息，保障着陆巡视器GNC（制导导航与控制分系统）的自主惯性导航精度，为顺利着陆提供重要前提。

加速度计本次主要有两项任务，一是搭载于着陆巡视器，为其上的GNC（制导导航与控制分系统）提供加速度信息，确保自主惯性导航精度，为安全平稳着陆提供重要技术支撑；二是搭载于火星车上，实时“感知”运动过程中的姿态信息，从而为火星车安全平稳地巡视火星表面保驾护航。

本次执行任务的加速度计与此前在神舟系列飞船、探月工程等任务作出贡献的加速度计属同一系列。

技术人员透露，在设计方案上，对本次执行任务的加速度计继续保持了对温度控制、密封等环节的严密把控。任务前，还曾特意模拟火星环境对加速度计进行了低于零下100摄氏度的工作测试。测试显示，在这远超正常工作温度的环境下，加速度计依然能够提供测量数据。

天问一号着陆过程中，环绕器和着陆巡视器需要完成分离，着陆火星后，着陆平台需要释放火星车，每个环节都需要“定制化”的解锁分离装置来实现。

航天科工三院111厂为此次任务研制了两器连接解锁装置、背罩连接解锁装置、大底连接分离装置、火星车连接解锁装置等6项装备。这些关键部件实现了着陆巡视器与环绕器的连接解锁及分离功能，并在着陆后完成火星车与着陆平台的解锁分离。

纳米气凝胶：为稳定安全运行保驾护航

因探测环境差异巨大，天问一号需要接受“冰火两重天”的温度考验。

纳米气凝胶是一种不为大众熟知的神奇材料。它是由纳米尺度的固体骨架构成的一个三维立体网络，其密度可以做到比空气还轻，是世界上最轻的固体；导热系数仅为静止空气的一半，是导热系数最低的固体，这使它成为“天问一号”应对极寒、极热等严酷环境所需热防护材料的不二之选。

航天科工三院306所专家介绍，他们为天问一号研制了两类高性能纳米气凝胶材料，以其高效防寒隔热功能，为火星探测任务中应对极寒、极热两种严酷环境提供保障。其中，超低密度纳米气凝胶隔热板用于阻隔火星表面低至-120℃的极寒环境，该类超轻质材料密度仅为常规气凝胶材料的十分之一，可以有效降低火星车负载。耐高温纳米气凝胶隔热组件用于阻隔着陆发动机产生的高达1200℃的高温热流，保护着陆平台的正常功能。

航天科工二院203所为天问一号的通讯系统、制导系统、控制系统研制生产了系列晶体元器件产品。晶体元器件体积虽小，却可以为电子设备提供稳定的频率信号，因此常被称为电子设备的“心脏”。此次出征的晶体元器件产品具有可靠性高、性能指标优、环境适应性好等特点，能很好地满足探测器在太空中长时间飞行的需要。

航天科工三院304所对接收、处理火星探测数据的地面应用系统开展软件测试，为天问一号信号接收软件做好“体检”。304所研发的火星探测任务分析与评估系统，为测控总体的方案设计、过程仿真和结果评估提供定量化分析手段，有效支撑测控总体迭代优化。

航天科工所属航天江南航天电器公司为本次火星探测任务研制生产的连接器、继电器产品超过6000只（套），在相关系统中承担信号传输、信号控制与信号通断等作用，成为电信号传输系统的“神经枢纽”。探测器遨游太空、着陆火星，其一身“钢筋铁骨”离不开航天科工所属航天精工研发生产的数以万计高强度、高性能紧固件产品，在提高探测器耐高低温、抗疲劳等综合性能方面发挥了重要作用。

据悉，后续火星车将与着陆平台解锁分离，开启火星巡视探测任务。航天科工所属航天江南航天电器公司“定制化”设计研发了矩形分离连接器和射频脱落连接器，实现了火星车与着陆器之间控制信号的物理连接与分离，是保证背罩、大底和着陆器三大结构部件可靠分离的关键部件。

火星表面地貌复杂，如何让火星车能够自如地爬坡下坎，航天科工所属航天江南群建精密公司为火星车设计研制了“定制化”的悬架减速自锁装置。这套装置由两部分组成，其中一部分用于夹角调节机构，另一部分用于离合器机构，二者相互配合，使得火星车能够精准调节车体姿态以适应火星表面地形地貌。同时，安装在火星车上的加速度计随时为GNC提供测量信息，确保火星车移动的过程中能够随时精准“感知”速度、位置，为火星车安全平稳地开展工作保驾护航。