“地月合影”驚艷亮相 火星環(huán)繞器還有哪些獨特本領(lǐng)

2020年7月27日，天問一號探測器在飛離地球約120萬公里處，利用光學(xué)導(dǎo)航敏感器拍攝的黑白地月合影。左側(cè)為地球。（國家航天局供圖）

7月27日，天問一號火星探測器通過其上的光學(xué)導(dǎo)航敏感器，在距離地球家園120萬公里處回望，拍下了地月合影的珍貴一幕。在這幅黑白合影圖像中，地球與月球一大一小，均呈新月狀，在茫茫宇宙中交相輝映。

“天問一號”火星探測器系統(tǒng)由環(huán)繞器和著陸巡視器組成。隨著地月合影的驚艷亮相，集諸多本領(lǐng)于一身的火星環(huán)繞器也率先進入公眾視野。它有哪些獨特之處？又將帶著怎樣的使命飛向火星？

“天問一號”火星探測器模擬圖，由環(huán)繞器和著陸巡視器組成（探測器抓總研制單位航天科技集團五院提供）

環(huán)繞器將經(jīng)歷三次“變身”

此次火星探測任務(wù)，分為“繞、著、巡”三步走。記者從負(fù)責(zé)火星環(huán)繞器總裝、集成和試驗任務(wù)的中國航天科技集團所屬上海航天八院812所獲悉，在這三個過程中，環(huán)繞器將經(jīng)歷三次“變身”。

約七個月的飛行過程中，環(huán)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后，環(huán)繞器作為通信器，為著陸器建立與地球之間中繼通信鏈路；通信工作結(jié)束后，環(huán)繞器作為科學(xué)探測器對火星進行遙感探測。

飛行時間長，面臨環(huán)境差，控制要求高，空間動作繁，這是屬于環(huán)繞器的四大“特點”，不僅任務(wù)繁重，其難度也是空前。

“天問一號”火星探測器建立對地姿態(tài)模擬圖（探測器抓總研制單位航天科技集團五院提供）

光學(xué)導(dǎo)航：它有一雙明亮眼睛

剛剛“出爐”的地月成像,由環(huán)繞器上的光學(xué)導(dǎo)航敏感器自主曝光拍攝完成。

據(jù)了解，光學(xué)導(dǎo)航敏感器可以在飛近火星的過程中通過對火星成像，利用火星圖像計算火星的形心位置和視半徑大小，結(jié)合估計算法獲取探測器相對于火星的實時位置和速度信息。

“光學(xué)導(dǎo)航敏感器就好比探測器的‘眼睛’。”八院控制所光學(xué)導(dǎo)航專家打了個比方，“有了這雙明亮的‘眼睛’，探測器也就有了自主能力，可以自己看著飛向目的地了?！?/p>

據(jù)介紹，這是支撐我國未來進一步走向宇宙更遠(yuǎn)空間的重要技術(shù)之一。與傳統(tǒng)的無線電導(dǎo)航不同，光學(xué)自主導(dǎo)航可以通過圖像目標(biāo)識別和特征提取，完成位置、速度等導(dǎo)航信息的獲取。

也就是說，這一“千里眼”，最遠(yuǎn)可以在1000萬公里的距離識別火星，還能自主適應(yīng)火星從點目標(biāo)到面目標(biāo)、從弱目標(biāo)到強目標(biāo)的火星圖像提取，從而實現(xiàn)即使沒有外部導(dǎo)航信息，也能夠在深空飛行中自主找到前進的道路。

“天問一號”火星探測器天線、太陽翼展開模擬圖（探測器抓總研制單位航天科技集團五院提供）

天線展開：精雕細(xì)刻的“敏感神經(jīng)”

發(fā)射當(dāng)日，“長征五號”火箭升空后的第37分鐘，便迎來了星箭分離的重要時刻。此時，火星環(huán)繞器的太陽翼和各類天線便逐步啟動展開模式。

“火星環(huán)繞器共有7個種類12個活動部件。”火星環(huán)繞器主任工藝師張則梅介紹，這12套機構(gòu)的各式花樣展開，完全由八院812所首次獨立承擔(dān)。

火星環(huán)繞器活動機構(gòu)和天線展開不僅多，而且都很長。最長的高增益定向天線長達(dá)2.5米，安裝時需要折疊六次，這也成為環(huán)繞器總裝過程中最難啃的一塊骨頭。

火星環(huán)繞器總裝主崗?fù)趵窀嬖V記者，在初樣階段，試驗過程中發(fā)現(xiàn)了天線展開后無法正常合攏的問題，主要原因是精度不夠?？傃b團隊立即行動，再次復(fù)核數(shù)據(jù)、優(yōu)化軟件算法，量身定制工裝，從早到晚忙碌不停，終于解決了這個難題，大家緊鎖的眉頭再次展開。經(jīng)過初正樣多次裝配驗證，平衡精度達(dá)到了萬分之五。

型號調(diào)度王克寒說，環(huán)繞器的天線長，為保護其在展開后不受損壞，在天線安裝過程中，操作人員從不停歇，一站就是一整天，甚至通宵達(dá)旦。在他們的細(xì)心呵護下，火星環(huán)繞器也從一個個零部件逐步成長為“國之重器”。

“天問一號”火星探測器研制現(xiàn)場（探測器抓總研制單位航天科技集團五院提供）

層層“外衣”：冰火兩重天的考驗

記者了解到，“天問一號”從地球飛往火星需要7個月的時間，加上停泊火星軌道的3個月，在火星車開始工作之前，火星環(huán)繞器需要獨自工作10個月。

在如此長的時間里，它將經(jīng)歷一系列太空中極端環(huán)境的考驗。為了確保火星環(huán)繞器在低溫下正常工作，對它的“著裝”要求非常嚴(yán)格。

負(fù)責(zé)衛(wèi)星熱控實施的工藝師蔣諶立告訴記者，低溫下穿的“衣服”被稱為熱控隔熱組件，業(yè)內(nèi)稱低溫多層，均采用自動縫紉機床及裁割機完成?；鹦黔h(huán)繞器由于其艙體結(jié)構(gòu)大，它的“衣服”面積達(dá)到了30平方米，是一般衛(wèi)星的2倍。

“天問一號”不僅要面對低溫考驗，還要經(jīng)得住高溫?；鹦黔h(huán)繞器使用的是目前國內(nèi)最大的SAST9000平臺，安裝了3000N的大推力發(fā)動機，發(fā)動機工作時溫度可達(dá)上千攝氏度。這對發(fā)動機附近的溫度防護提出了很高的要求。

“中高溫多層使用的是不銹鋼箔及鋁箔，邊緣鋒利，加工及安裝難度非常大，極易割傷操作人員?！笔Y諶立介紹說，為了保證操作安全，安裝前，操作人員需穿戴防護服、防割手套和護目鏡，先在多層標(biāo)注安裝孔位置進行預(yù)裝，逐個打好孔后再用不銹鋼絲穿套安裝。

在他看來，操作人員宛如工藝大師在精心雕琢著“藝術(shù)品”，每一個角度、每一個縫隙都分毫不差。

“天問一號”火星探測器研制現(xiàn)場（探測器抓總研制單位航天科技集團五院提供）

仿真模擬：千百次的錘煉

每一個航天器在誕生前，可以說都是經(jīng)歷過“千錘百煉”的，也就是說，在正式“飛天”之前，必須要經(jīng)過無數(shù)次地面仿真模擬試驗，提前反復(fù)驗證，盡力確保萬無一失。

據(jù)812所試驗中心副主任張利介紹，火星環(huán)繞器很重也很“胖”，測點、通道、工況多，試驗時間跨度長，與振動臺連接狀態(tài)需按要求不斷調(diào)整，僅初樣期間的一次振動測試，其加速度和應(yīng)變測量通道就高達(dá)372個。

尤其在試驗過程中工況切換時，產(chǎn)品外觀、緊固件、試驗設(shè)備、試驗數(shù)據(jù)、試驗結(jié)果都要進行檢查確認(rèn)?！盀榱舜_保試驗成功，試驗人員在試驗前、試驗中、試驗后都嚴(yán)格檢查產(chǎn)品狀態(tài)，質(zhì)量控制、安全控制一個環(huán)節(jié)也不能少。” 張利說。

在一代代中國航天人的努力下，5500萬公里外的火星終于不再遙不可及。而“天問一號”所走的路，也將注定是一段不同尋常的旅程，見證著中國航天一步一個腳印，想著夢想邁進。