本文圍繞2022年度上海市科技進步獎一等獎“火星探測行星際飛行及環(huán)繞平臺技術”項目展開。該獎項由上海衛(wèi)星工程研究所朱新波、褚英志、徐亮、張偉、王偉、王民建、張旭光、?？∑?、杜洋、王建煒、信思博、楊金、閆奎、印興峰、于淼獲得。
幾個世紀前的大航海時代，人類第一次建立了跨越大陸和海洋的聯系，世界開始連成整體。而深空探測是連接地球和地外文明的橋梁，從嫦娥奔月到夸父逐日，人類從未停止追求星辰大海。
茫茫宇宙，火星承載著人類的厚重夢想。2020年7月，我國首次火星探測任務“天問一號”探測器成功發(fā)射。在隨后的幾百個日夜里，“天問一號”一次任務實現了“環(huán)繞、著陸、巡視”。而任務背后的火星環(huán)繞器研發(fā)團隊也獲得了2022年度上海市科學技術一等獎，他們開發(fā)的環(huán)繞器技術未來也將用于“天問三號”、“天問四號”等行星探測工程任務。
“天問一號”任務中，火星環(huán)繞是關鍵環(huán)節(jié)。從地球飛往火星，飛行路徑超4億公里，“天問一號”耗時200多天。在近7個月時間里，探測器能順利被火星捕獲是第一關，也是火星探測任務中技術風險最高、最為關鍵的環(huán)節(jié)之一。
在火星探測器從地球飛向火星的過程中，能夠被火星引力所捕獲形成環(huán)繞軌道的機會只有一次?；鹦翘綔y任務捕獲時，探測器距離火星最近僅400公里，稍有偏差就會撞擊火星或飛離，因此，捕獲的成敗就成為了火星探測任務成敗的關鍵。
探測器被火星捕獲僅僅是第一道關卡，此后還要面臨進入環(huán)火橢圓軌道、停泊探測、兩器分離、中繼通信、環(huán)火遙感等挑戰(zhàn)，任何一環(huán)出了問題，都將導致環(huán)繞任務失敗。
為了順利完成探“火”任務，中國航天科技集團八院上海衛(wèi)星工程研究所火星環(huán)繞器副總設計師朱新波帶領團隊開發(fā)了火星環(huán)繞器，讓它負責攜帶著陸巡視器，完成地火轉移、火星捕獲、環(huán)火軌道調整、落區(qū)預探測；實施兩器分離，提供中繼支持服務；在遙感軌道，利用科學載荷對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測。
從近地到近火，環(huán)繞器要經歷大跨度的溫度變化。在環(huán)火陰影區(qū)，探測器進入-180℃的極端低溫環(huán)境，這對器上產品及系統熱控提出高要求。研發(fā)團隊通過系統熱設計、功率平衡確保了艙內溫度水平，艙外產品經過嚴格的材料選型與試驗驗證，確保滿足深低溫的環(huán)境適應性。
通常情況下，環(huán)繞地球運行的衛(wèi)星都由地面控制中心根據衛(wèi)星實時狀態(tài)和任務要求進行控制。但與地球衛(wèi)星不同，由于器地距離遠，最遠時單向通信時延達20多分鐘，一來一回通信延遲40多分鐘，地面指令來不及實時干預探測器。
深空探測器與地面站通信還存在獨特的“日凌”現象，當探測器、地球和太陽位置處于同一直線時，太陽輻射會干擾地火之間射頻信號傳輸，導致通信中斷。而我國首次火星探測任務最長“日凌”達到30天?！叭樟琛逼陂g，環(huán)繞器必須“自己照顧好自己”，依靠自身完成任務管理，并在出“日凌”后迅速自主與地面恢復聯系。
為了解決這些問題，研發(fā)團隊通過研制高度集成的小型化綜合電子系統，環(huán)繞器實現了器務管理、遙測遙控、熱控管理、配電管理、推進控制、機構驅動、數據存儲功能的一體化，為綜合信息自主管理奠定了硬件基礎。通過設計多系統多模式器上信息綜合自主處理方法，保證一級故障任務正常執(zhí)行，二級故障整器安全，在軌實現了環(huán)繞器在軌自主運行大于30天的能力。環(huán)繞器通過X頻段兩維可驅動的2.5米大口徑數傳天線，實時驅動跟蹤，準確對準地球，向地球回傳環(huán)繞器的狀態(tài)及科學數據，最大速率達4Mb/s。
從事航天工作已有20多年的朱新波在研發(fā)火星環(huán)繞器過程中，承擔了環(huán)繞器的抓總設計、系統研制過程質量控制、整星大型測試與試驗等研制全過程工作。他深感火星探測任務的特殊與難度。
“不同于地球衛(wèi)星任務，深空探測任務對探測器的性能指標要求都是最高的，系統設計復雜，攻關難度大?！敝煨虏ㄕf，由于火星、地球繞太陽運轉的天體規(guī)律，火星探測器的發(fā)射窗口每26個月才出現一次、要求非常苛刻，天問一號任務從啟動開始就確定了2020年7月份的發(fā)射窗口，不容推遲，這就給探測器的研制進度帶來了巨大壓力。
他和團隊從2010年開啟背景任務論證，其間經歷多輪次方案迭代，直到2014年正式啟動方案攻關，他帶領團隊開展火星環(huán)繞器的研制工作，方案、初樣、正樣三個研制階段持續(xù)了6年時間。在這期間，他們克服重重困難，完成了方案驗證器、初樣結構器、初樣電性器、正樣器的研制，整個研發(fā)過程前后歷時10年。
2020年7月，“天問一號”探測器在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。朱新波帶頭研發(fā)的火星環(huán)繞器帶著全國人民的期盼奔向火星。他在現場通過回傳的遙測實時監(jiān)測著火星環(huán)繞器的狀態(tài)。器箭分離后，“火星環(huán)繞器按照我們設計的動作一步一步精準地完成飛行狀態(tài)建立?！蹦且豢?，他的內心激動不已。
在“天問一號”之前，我國沒有一手的火星探測數據，只能依靠國外?！疤靻栆惶枴比蝿盏某晒嵤瑸槲覈蒲泄ぷ髡咛峁┝舜罅靠茖W數據，將產出大量科研成果。
離開地球約202天后，火星環(huán)繞器抵近火星。那天，火星環(huán)繞器不負眾望，如教科書般地完成了火星捕獲制動，成為了中國首顆人造火星衛(wèi)星?！啊靻栆惶枴~出了我國行星探測的第一步，后續(xù)我們國家還會繼續(xù)探測火星和其他星球?！敝煨虏ㄕf，他和團隊開發(fā)的火星環(huán)繞器技術未來將應用于我國深空探測環(huán)繞類探測任務，如“天問三號”、“天問四號”等行星探測工程任務。
“深空探測任務是一項系統工程，需要集智攻關。”朱新波感慨，在任務研制過程中必須充分發(fā)揮全國優(yōu)勢，在頂層統一指揮領導下齊心協力，才能完成任務。與此同時，嚴慎細實才能保成功。所有地面問題在天上都是巨大的隱患。因此，研制過程中任何一個小細節(jié)都不能放過。他也勉勵青年，要在學習期間需要扎根基礎專業(yè)，建立系統觀念，多學習、多動手、持續(xù)更新知識、持續(xù)實踐操練，不斷提升綜合能力，讓幾代航天人矢志追求的航天強國夢成為現實。
