“十年磨一劍”打造我國首顆人造火星衛(wèi)星
編者按
這個春節(jié)，中國首次火星探測任務(wù)再度引發(fā)關(guān)注。2月10日，天問一號探測器抵達(dá)火星軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星。2月12日，天問一號從遙遠(yuǎn)的火星軌道傳來新春祝福，其火星捕獲過程影像公開。2月15日，天問一號成功實施捕獲軌道遠(yuǎn)火點平面機(jī)動。在天問一號環(huán)繞火星成功實現(xiàn)“繞、著、巡”第一步“繞”的目標(biāo)之際，本版推出專題解讀。
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在剛剛過去的春節(jié)假期，中國首次火星探測任務(wù)動作頻頻，接連走進(jìn)公眾視線——
先是2月10日晚，天問一號探測器抵達(dá)火星軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星，實現(xiàn)“繞、著、巡”第一步“繞”的目標(biāo)，環(huán)繞火星獲得成功。
接著是2月12日，天問一號從遙遠(yuǎn)的火星軌道傳來新春祝福：其火星捕獲過程影像公開，太陽翼、定向天線、火星大氣層及表面形貌清晰可見。
最近一次則是2月15日，天問一號成功實施捕獲軌道遠(yuǎn)火點平面機(jī)動。后續(xù)，它還將通過數(shù)次軌道調(diào)整，進(jìn)入火星停泊軌道，計劃于5月至6月?lián)駲C(jī)實施火星著陸。
至此，天問一號探測器系統(tǒng)之環(huán)繞器副總設(shè)計師朱新波懸著的心，終于放了下來。他告訴中青報·中青網(wǎng)記者：“為了這一天，整個環(huán)繞器研制團(tuán)隊歷經(jīng)千錘百煉，足足等了10年！”
8名院士聯(lián)名上書
如今回過頭來看，天問一號的研制論證起點是2010年。那一年，我國剛剛發(fā)射第三顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，在月球探測上也剛邁出“繞、落、回”的第一步。外界很難想象，就是在這一年，中國航天人已經(jīng)把目光投向火星。
中國首次火星探測任務(wù)探測器系統(tǒng)副總指揮兼環(huán)繞器總指揮張玉花說，2010年，在8名院士聯(lián)名上書的推動下，我國深空探測重大專項論證拉開帷幕。自那時起，她所在的八院火星團(tuán)隊就開始全程參加我國深空探測的重大專項論證。2013年，根據(jù)分工，八院火星團(tuán)隊轉(zhuǎn)入對火星環(huán)繞器的總體論證。
論證一開始，就遭遇一只只“攔路虎”：機(jī)會唯一的制動捕獲如何踩剎車？過程復(fù)雜的兩器分離如何設(shè)計？遙測遙控中斷30天的“日凌期”如何度過？數(shù)億公里外的火星探測器如何開展自主管理？
“面對這些難題，我們沒有退縮，關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)繞器的核心，絕不能假手于別人！”張玉花告訴記者，我國是深空探測領(lǐng)域的后來者，對深空探測所需的技術(shù)積累有限，為實現(xiàn)深空探測工程的目標(biāo)，必須攻克一系列關(guān)鍵技術(shù)。
在攻克環(huán)繞器自主管理難題方面，朱新波帶領(lǐng)團(tuán)隊組建了一個“敢啃硬骨頭”的青年攻關(guān)小組。
這可不是一個只會坐在辦公室伏案實驗的“秀才團(tuán)隊”。朱新波告訴記者，為了更好地發(fā)揮協(xié)作優(yōu)勢，團(tuán)隊里的青年設(shè)計師頻繁往返京滬之間，不斷完善項目建議書和任務(wù)書，邊論證邊調(diào)研。
他舉了一個例子：給火星軌道控制帶來巨大挑戰(zhàn)的是通信延時。由于探測器距離地球太過遙遠(yuǎn)，要踏入環(huán)火軌道的天問一號，與地球的通信延遲超過了10分鐘，這意味著地面上的航天人無法對火星捕獲情況進(jìn)行實時監(jiān)控、快速應(yīng)對。
朱新波說，面對這樣一段“視覺盲區(qū)”，軌道設(shè)計團(tuán)隊協(xié)同控制系統(tǒng)進(jìn)行了近千種故障工況的分析，確定了關(guān)鍵參數(shù)及閾值，保證火星探測器在地面無法實時控制的情況下，對可能發(fā)生的情況進(jìn)行恰當(dāng)?shù)呐袛嗪头磻?yīng)。
“憑著‘初生牛犢不怕虎’的干勁，我們才拿下深空探測自主管理與控制關(guān)鍵技術(shù)等課題，取得重大突破，才讓后來的天問一號有了聰明‘大腦’。”朱新波說。
不過到這里，這場科研攻關(guān)大戲才剛剛開始。
唯一一次成功機(jī)會
天問一號在抵達(dá)火星軌道前，需要把握住唯一的機(jī)會，對火星進(jìn)行“制動捕獲”。作為中國首次火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一，這一動作被形象地稱為“踩剎車”。
“為什么說只有一次機(jī)會？如果點火時間過長，探測器就會一頭撞上火星；如果點火時間過短，探測器就會飛離火星。這對環(huán)繞器姿軌控分系統(tǒng)提出了極高要求�！敝煨虏ㄕf。
他打了一個比方：開車的人都知道，在高速公路下匝道需要讓車速降下來，才能安全經(jīng)過彎道。類似的，對于以高速度向著火星靠近的探測器來說，要想被火星引力所捕獲，也必須在“捕獲窗口”對應(yīng)的軌道弧段，精準(zhǔn)、自主可靠地完成“剎車”。
從理論上說，給探測器一個反向推力，即可把它的速度降下來。但在工程實施過程中，仍會遇到不少問題：火星引力的“捕獲窗口”有限，要求探測器在10分鐘內(nèi)將速度降低約每秒1公里。此外，由于通信延時，探測器必須完全依靠自身完成發(fā)動機(jī)點火和關(guān)機(jī)，克服發(fā)動機(jī)點火期間的擾動，實現(xiàn)點火方向和點火時長的精確控制。
難題擺在面前，年輕的研制團(tuán)隊再一次出手了。
環(huán)繞器團(tuán)隊總體設(shè)計師謝攀告訴記者，為了解決這一難題，他和同事不斷進(jìn)行腦力碰撞，提出成百上千個方案。最終，他們決定采用捕獲時“開機(jī)時長”和“速度增量”兩個指標(biāo)來控制發(fā)動機(jī)的“雙關(guān)機(jī)策略”。如此，環(huán)繞器還可以自主生成二次捕獲策略，以最大限度保證任務(wù)的成功。
2016年，我國首次自主火星探測任務(wù)正式啟動立項，在這之后的幾年里，謝攀所在的研制團(tuán)隊接連攻克了火星制動捕獲、超遠(yuǎn)距離通信、長時間在軌自主管理、深空光學(xué)自主導(dǎo)航等多項關(guān)鍵技術(shù)。
謝攀說，過去4年，研制團(tuán)隊不知經(jīng)過了多少次試驗，失敗了重新再來，成功了就再重復(fù)驗證，其目的都是為了確�？煽俊⒕珳�(zhǔn)完成這一腳高難度“剎車”。
千分之三不容忽視
在地面的一次半物理仿真試驗中，天問一號捕獲制動精度與指標(biāo)要求有了明顯偏差，這讓朱慶華的心一下子提到了嗓子眼兒。
這位環(huán)繞器技術(shù)副總設(shè)計師疑惑道：方案已考慮了探測器燃料消耗引起的質(zhì)量變化，也考慮了推力方向偏心造成的姿態(tài)干擾等多種可能的因素，為什么精度還是不夠？
研制團(tuán)隊隨即對捕獲制動這一過程再次進(jìn)行深入分析，最終發(fā)現(xiàn)，制動前的“沉底”時間過長，對捕獲控制的速度增量產(chǎn)生了約0.3%的影響。
所謂“沉底”，就是在主發(fā)動機(jī)推力減速前，先啟動維持探測器姿態(tài)控制的小推力器工作，通過姿態(tài)控制推力器產(chǎn)生的加速度，使燃料集中到貯箱底部，便于主發(fā)動機(jī)工作。
朱慶華告訴記者，研制團(tuán)隊很快對這一過程進(jìn)行精確分析，將沉底工作過程的推力減小一倍，并將沉底過程對速度增量的影響引入到主發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時機(jī)的計算中，通過方案優(yōu)化和進(jìn)一步仿真驗證，捕獲制動精度有了顯著提升。
一個細(xì)節(jié)暴露了問題，那么其他細(xì)節(jié)會不會也有類似的問題？
研制團(tuán)隊開始“舉一反三”：承擔(dān)著指揮控制任務(wù)的GNC單元，采用了三模冗余方案。在團(tuán)隊多輪設(shè)計、仿真及驗證工作下，3臺計算機(jī)可確�！安秸{(diào)一致”并實現(xiàn)“民主表決”，即運算時刻和初始數(shù)據(jù)始終保持一致，進(jìn)而通過少數(shù)服從多數(shù)的原則，確保計算結(jié)果準(zhǔn)確無誤。
朱慶華說，為了確保這次“剎車”可靠完成，研制團(tuán)隊在4年的研制過程中，不斷進(jìn)行著發(fā)動機(jī)推力方向和大小、發(fā)動機(jī)推力干擾力矩、太陽電池陣撓性振動、推進(jìn)劑液體燃料晃動等各參數(shù)的正常范圍、極限拉偏測試，分析測試和試驗中GNC系統(tǒng)的表現(xiàn)，對異�，F(xiàn)象迅速定位并對方案進(jìn)行優(yōu)化完善。
“我們運用自己的算法，對一些知名的火星探測任務(wù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與國際上公布的數(shù)據(jù)非常吻合。”環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)產(chǎn)保師劉宇說。
截至目前，具備自主控制能力的天問一號已成功實施捕獲制動。劉宇告訴記者，他期待天問一號在火星的上空，能夠帶來更多探火新發(fā)現(xiàn)。
每一個腳印都在創(chuàng)造歷史
2020年，一場突如其來的新冠肺炎疫情，打亂了火星環(huán)繞器正樣產(chǎn)品的出廠步伐。
朱新波告訴記者，為了降低人員流動風(fēng)險，團(tuán)隊決定分雙線并行推進(jìn)工作：一支隊伍在京完成與北京飛行控制中心的無線1∶1聯(lián)試，另一支隊伍負(fù)責(zé)在上海完成整器出廠評審準(zhǔn)備工作。
測控數(shù)傳分系統(tǒng)是天問一號探測器最重要的分系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)不僅要進(jìn)行整器的各項試驗，同時還要進(jìn)行各測控站、應(yīng)用站的對接。朱新波說，對接工作時間跨度大、協(xié)同距離遠(yuǎn)，需要長期保持多地同時工作。
北到佳木斯的深山老林，西到喀什的茫茫戈壁，南到文昌的濕熱海島，東到上海的佘山腳下……在進(jìn)行我國首臺高靈敏度數(shù)字化深空應(yīng)答機(jī)的測控應(yīng)用對接任務(wù)時，研制團(tuán)隊在短短幾個月時間里，輾轉(zhuǎn)八地，披星帶月，奔赴數(shù)萬公里。
2020年7月，天問一號成功發(fā)射后，需要研制人員同時在北京、上海兩地進(jìn)行飛控。環(huán)繞器副總指揮褚英志告訴記者，在天問一號奔赴火星的星際旅途中，團(tuán)隊成員每天“兩班倒”，一路遙遙“相伴”。
進(jìn)入2021年2月火星制動捕獲的關(guān)鍵節(jié)點，研制團(tuán)隊更是全員奔赴北京飛控�？傮w主任設(shè)計師�？∑赂嬖V記者，全體成員抵京后，開展飛控文件的最終確認(rèn)，與北京飛行控制中心開展一遍又一遍的協(xié)同演練。
第一時間得知天問一號成功進(jìn)入環(huán)火軌道，牛俊坡緩緩松了一口氣，寫下了這段話：“好奇是隱藏人類心中的神秘種子，熱情是蘊(yùn)含人們體內(nèi)的無窮力量，深空是等待人們探索的未知領(lǐng)域，夢想是激勵我們前進(jìn)的灼灼明燈。我們所做的每一件事、踩下的每一個腳印，都在創(chuàng)造歷史！”
他告訴記者，10年的問天之路，火星環(huán)繞器研制團(tuán)隊奉獻(xiàn)的是青春和智慧，扛住的是責(zé)任與壓力。
截至目前，火星探測研制團(tuán)隊已經(jīng)持續(xù)開展了200多天的在軌飛行控制任務(wù)，完成了4次中途修正和一次深空機(jī)動，開展了各種自檢和功能驗證工作，對探測器的測控通信能力、能源保障能力、姿軌控能力、自主管理能力等進(jìn)行了測試。
他們現(xiàn)在最期待的，就是5月至6月的落火時刻。
“疫情時期又趕上研制的收尾階段，乘坐人生中第一次20多個小時的大巴奔京，希望疫情趕緊過去，探火順順利利，更希望這一年在外的時間不要超過前一年的天數(shù)�！�
——當(dāng)火星環(huán)繞器測控數(shù)傳主任設(shè)計師王民建在京滬大巴上發(fā)完這條朋友圈后，他怎么也不會想到，在天問一號抵達(dá)火星軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星后，他的出差天數(shù)再次刷新了。
天問一號，這個來自中國的火星使者，還要繞著火星繼續(xù)轉(zhuǎn)下去。而王民建，這位年輕航天人的探火之旅，同樣也在路上。
中青報·中青網(wǎng)記者 邱晨輝 來源：中國青年報
