4億公里外“長途接線” 實驗室裏埋頭造土 “天問探火”背後的功臣

 

△圖為近日，工作人員在北京航天飛行控制中心對天問一號進行監測。（中國航天科技集團八院供圖）

 

5月19日，國家航天局發佈了火星探測天問一號任務探測器著陸過程兩器分離和著陸後火星車拍攝的影像，再次引發公眾關注。

 

作為中國第一次真正意義上的深空之旅，火星探測的重要性和挑戰性都不同於以往。利箭騰飛、祝融巡火的壯麗背後，是不容毫秒偏差的精準、是連一個彈簧都非比尋常的高科技，是從機械力學到計算機、新材料、岩土工程等多學科領域的綜合，更是無數科研工作者的付出。除了我們所熟悉的發射者、設計者之外，天問一號背後還有哪些幕後功臣？他們賦予了天問一號哪些高超性能？讓我們一起走近他們。

 

 

△由火星車前避障相機拍攝，正對火星車前進方向

 

“地火傳書”背後的通信員：“‘祝融號’抵達後，我的生活就進入了火星時間”

 

5月19日晚上7時，中國航天科技集團八院天問一號環繞器軟體主任設計師張海吃過晚飯，準時來到北京航天飛行控制中心。在和白班同事進行報表交接後，他和夜班的其他同事來到會議室，討論彙報這一天火星探測器的運行情況。

 

“一切正常。”張海欣慰地説，自“祝融號”5月17日首次與環繞器建立通信鏈路，傳回“第一封家書”後，目前狀態不錯，通信網絡也十分通暢，後期定會有更多數據傳回。

 

天問一號探測器主要由環繞器和著陸巡視器（含“祝融號”火星車）兩部分組成。前期，環繞器是搭載“祝融號”的星際專車。在將“祝融號”安全送達火星後，環繞器上升至中繼軌道，此後數月它將變身通信器，建立起“祝融號”與地球之間的中繼通信。

 

地球到火星的距離是到月球距離的1000倍，最遠超過4億公里。4億公里“長途通信”，難度可想而知。環繞器總體主任設計師牛俊坡告訴記者：“地面站與探測器間通信是通過無線電波實現的，距離越遠信號衰減越大，我們接收到的信號就越微弱。此外，這種超遠距離還會導致通信延時變長，一條信息從火星傳回地球，最久要22分鐘。更難的是，環繞器處於不斷飛行運動中，不是全天候對準地球的，而信息又必須在它以特定角度、穩定姿態對準地球的情況下才能傳回。”

 

 

△由導航相機拍攝，鏡頭指向火星車尾部

 

在火星車著陸初期階段，火星車與地面的通信通過環繞器採用UHF頻段+X頻段兩種中繼通信方式進行。為保證通信品質，團隊為環繞器配置了最強“千里眼”“順風耳”——深空應答機加高增益收發天線。X頻段深空應答機負責環繞器與地面的通信，UHF頻段收發信機負責“祝融號”與環繞器之間通信，再加上2.5米口徑的大天線，共同構成一個立體通信網。

 

牛俊坡笑稱，自“祝融號”抵達後，自己的生活就進入了火星時間。在飛控人員面前的顯示器上，記者看到三種時間，一個是北京時間，一個是遙測時間，即最近一項數據從火星上傳回來的時間；還有一個，就是牛俊坡説的火星時間。工作人員將“祝融號”著陸的那一刻設為第一個火星日，到今天，已經是第十個火星日了。在這些緊張忙碌的火星日裏，包括張海在內的8名工作人員被分成測控崗和綜合電子崗，前者負責地面、環繞器、火星車之間的通信，後者負責遙控指令處理等，24小時不間斷對天問一號進行監測遙控。這樣高密集的工作將一直持續到本月月底。

 

天問已至，求索無疆。牛俊坡笑著説，這還不是最累的時候，等通信工作結束後，環繞器將對火星進行遙感探測直到壽命結束。“現在它在中繼軌道，一天繞火星轉三圈；到了遙感軌道，一天就不止三圈了，任務量會更多。”

 

成功著陸背後的“造星人”：“把危險提前模擬出來，讓它學會怎麼處理”

 

5月15日，天問一號著陸巡視器降落在火星烏托邦平原南部。“穩了！”得知這一消息，天津大學建築工程學院教授蔣明鏡歡呼起來，像是自己學生考上理想高校一樣。

 

如果把此次火星登陸比作高考，那發射前的試驗就是模擬考，而蔣明鏡教授和他的“北洋能源與環境岩土團隊”就是“出卷老師”。火星探測器的著陸時間一般為7—8分鐘，這幾分鐘無法進行人工控制，一切全要靠“祝融號”自己來完成。為了讓“祝融號”“一次考過”，蔣明鏡團隊花了兩年時間，在河北省懷來縣模擬建造了一個火星表面，讓“祝融號”在此提前驗證那決定成敗的著陸過程。

 

蔣明鏡的主要研究方向是岩土工程，他和石頭、土塊打了幾十年交道，之前也參與過月壤模擬研究。但這次火星地表模擬，對他依然是個不小的挑戰。

 

 

△由環繞器的監視相機拍攝的著陸巡視器分離過程圖像

 

“火星引力僅為地球的38%，地形複雜，北半球是被熔岩填平的低原，南半球是充滿隕石坑的高地，中間以斜坡分隔，火山地形穿插其中，比月球複雜多了！”蔣明鏡説，為了盡可能真實還原，團隊建造了多個場景，不僅模擬了火星地貌特徵還模擬了重力、鐳射特徵等。

 

“為保萬無一失，我們做了多種極端工況，把不利因素都考慮了進去，什麼樣最危險，我們都提前模擬出來，讓它學會怎麼處理。”蔣明鏡介紹，光隕石坑，團隊就做了幾十個。目的是為了讓“祝融號”著陸時能夠識別，不降落在上面。“因為隕石坑不平整，且坑內土壤的力學性能不明確，降落在上面可能會導致著陸器傾倒。”

 

“祝融號”落在什麼樣的地方最好？這次著陸點選在烏托邦平原南部有什麼考慮？

 

蔣明鏡説，選在這裡著陸，一方面是出於安全考慮，這裡地形平緩，隕石坑較少，另一方面也源於這個地方的科學考察價值。如果僅從安全性上説，理想情況是降落在平緩的表面上。“有點像立定跳遠，必須落到沙場裏面，如果那附近有一塊石頭，就不能往上踩，踩上去腳就要扭了。”蔣明鏡表示，即便落在“沙場”上，也還得保證“祝融號”不會陷進去。為此，團隊模擬研究了火星土壤的承載力，提前預估了這些土大約能承載多大重量。

 

今年32歲的石安寧是天津大學岩土工程專業的博士生，也是蔣明鏡團隊中的一員。他告訴記者，前半年，他們主要是在“實驗室裏造土”：“這是我們首次登陸火星，火星土壤什麼樣，誰也沒見過。所以我們一方面參考了國外已有的火星探測資料，另一方面是依據團隊之前研究月球土壤模擬物的經驗。最後選取火山灰作為原材料，在實驗室內進行物理力學試驗。”

 

整個“造星”過程，最難的環節是施工。石安寧回憶：“為了保證按時發射，場地建設一直在趕工期，但懷來一年中大部分時間都是低溫大風天氣，對施工影響很大。”

 

 

△由環繞器的監視相機拍攝的著陸巡視器分離過程圖像

 

克服重重困難，2019年9月，項目如期完工。當年10月到11月，這裡進行了7次著陸器懸停避障試驗。蔣明鏡還記得，2019年11月14日，首次對外公開試驗當天，懷來夜晚的溫度已降到零度以下。在寒冷的北風中，他懷著緊張又期待的心情目睹火星探測器升到空中六七十米高度，點火後緩慢降落到中間高度，懸停四五分鐘後，平穩落在地面上。現場十幾個國家的駐華大使，都讚嘆不已，那一刻，蔣明鏡覺得，一切辛苦都值了。

 

而對石安寧來説，他目前最期待下一步天問二號的火星取土返回：“我很想研究一下真實的火星土壤有什麼物理力學性能，如果以後國家建設火星基地，就可以提供幫助。”

 

輕裝上天背後的“瘦身教練”“探測器多一克重量，增加的發射成本遠超一克黃金”

 

奔向火星，要克服地球強大的引力，這要求天問一號探測器的總重量不能超過5000公斤。但遠途旅行，天問一號要帶不少“行李”——光推進劑就至少2500公斤。為了上天，天問一號不得不自己瘦下來——它的結構部件應用了世界上最輕的金屬結構材料之一——新型鎂鋰合金。

 

“密度低、抗電磁干擾、抗輻射……”談起鎂鋰合金的優點，西安交通大學材料科學與工程學院教授柴東朗如數家珍。

 

作為這一材料的研發者，早在2005年，柴東朗就開始了這項研究，靈感源自和朋友的一次聊天。“航天探測器要飛到遙遠的宇宙，太胖肯定不行。”從搞航天工程的朋友口中，柴東朗得知，重量對衛星發射和火箭推力有著巨大的影響。過去，航天的主體材料大部分是鋁合金，因為航天器對材料的強度及密度要求很高，只有鋁合金能滿足。“當時，我正在做碳化矽增強鋁基複合材料的研究，這種材料性能雖高，但其密度與鋁相倣。我就想能不能把它做輕一點？”柴東朗説，在所有金屬中，鋰的密度最低。他先試著把鋰加了進去，材料的重量是減輕了，可強度也變低了。於是他又用其他合金化手段來提升材料的強度及耐熱性、耐腐蝕性。在團隊的不懈努力下，終於試驗成功。此後，又進行開發應用，先後用了10年時間，新型鎂鋰合金才最終面世。與鋁合金相比，同樣大小，它的重量僅是鋁合金的一半。

 

對於航天産業而言，重量減輕除了能減少對火箭推力的要求，還有一個重要意義是省錢。“探測器多一克的重量，增加的發射成本遠超一克黃金。”鎂鋰合金生産製造方這樣表示。

 

2016年12月22日，柴東朗在酒泉衛星發射中心親眼目睹了自己多年的技術成果落地。那一天，長征二號丁運載火箭搭載著高解析度微納衛星順利升空。這顆衛星的整體結構材料採用的就是鎂鋰合金。衛星升空那一刻，柴東朗沒忍住，掉下了眼淚：“心情是很激動的。因為低密度的鎂鋰合金國外之前就有了，但咱們國家一直沒有，國外也不賣給咱們。現在我們終於用上自己的新材料了！”發射結束後，柴東朗還特意去了為航天事業獻身的烈士們的陵園。中國航天人一絲不茍、為國奉獻的事跡讓他再一次心潮澎湃。

 

如今，柴東朗已年逾七旬，他最初研究鎂鋰合金時的一頭黑髮也染上了歲月的風霜。但他依舊閒不下來。這幾年，他帶領團隊對鎂鋰合金進行進一步改良，這次用在天問一號上的就是改進升級後的。“通過製備工藝改進及成分調整，現用的鎂鋰合金密度更低，大概是每立方釐米1.5克左右。而我們現在研製的第二代鎂鋰合金密度比這個還要低。目前，實驗室的研發工作已經基本上完成了，希望能用到以後的航天産品上面。”（來源央視網轉載中央紀委國家監委網站消息）