“天問”成功著陸的“幕后英雄”

5月15日，經歷了近10個月的漫長旅行，天問一號火星探測器終於成功著陸火星。在這次安全翻越“萬水千山”的旅途中，有不少“幕后英雄”一直在為它保駕護航。

UHF頻段雙向通信鏈路：

讓“天問”有了“眼睛和耳朵”

航天科技集團五院西安分院（以下簡稱西安分院）為火星探測器研制的測控數傳分系統搭建了地球與著陸巡視器、環繞器及“祝融號”火星車之間的信息傳輸鏈路，成為天問一號的“眼睛”和“耳朵”。

據介紹，“祝融號”火星車置於著陸巡視器的進入艙上。當火星探測器進入“落火”階段后，環繞器會和著陸巡視器分離，由著陸巡視器單獨下落。此時地面要想了解著陸巡視器在下落過程中的遙測數據，就需要依靠進入艙與環繞器間的UHF頻段雙向通信鏈路。西安分院進入艙UHF頻段收發信機負責人田嘉介紹：“這個階段的數據是‘落火’過程中的關鍵遙測數據，便於地面判斷‘落火’過程中各分系統的工作狀態。由於‘落火’比‘落月’難度更大，因此火星探測器在進入、下降、著陸過程中的遙測十分關鍵。”

西安分院研制的測控數傳分系統包括了UHF頻段收發信機和X頻段深空應答機等關鍵設備，是天問一號的關鍵分系統之一。安裝在環繞器上的X頻段深空應答機建立了環繞器與地面的通信鏈路，安裝在著陸巡視器中進入艙上的UHF頻段收發信機是建立與環繞器之間通信的關鍵，而安裝在“祝融號”上的UHF頻段收發信機和X頻段深空應答機等產品建立了與環繞器的中繼通信及對地通信。這些通信鏈路共同在地球與火星之間構成了一個立體通信網絡，讓環繞器在環繞過程始終與地面保持測控通信，並在著陸巡視器下降著陸過程以及抵達火星表面后與環繞器開展中繼通信、與地面開展測控通信。

當進入艙將著陸過程中的遙測數據發送給環繞器后，此時便需要通過環繞器與地面測控站之間建立的X頻段雙向通信鏈路進行數據的回傳。與此同時，地面也通過環繞器將遙控數據發送至進入艙。

火星探測器測控數傳分系統從開機到任務完成一直保持工作，還需根據飛行距離切換不同模式、實現不同功能。同時加上太空惡劣的環境及航天各系統互相配合的考慮，使得測控數傳產品的指標極其苛刻，需要克服空間損耗大等困難。按照總體要求，測控數傳分系統需要大幅減重，這就需要盡量將火星探測器上的產品小型化、集成化。以往的一個分系統由數台單機組成，體積龐大，這對於深空探測任務而言難以實現。為了解決這一難題，西安分院研制團隊將一個功能類似於分系統的UHF頻段收發信機，壓縮至一台重量為2公斤左右、體積僅為1個單機大小的產品。這台單機融合了數字處理、電源、通道、固放、雙工器和開關等分機，具有高度集成化和小型化。在分系統的研制過程中，研制團隊經過不斷的溝通討論、仿真論証，單機從無到有，從有到優。最終，以相較於典型產品綜合減重60%的成果完成了分系統功能的單機化集成。

特制“沖鋒衣”：

確保不出現“凍傷”或“燙傷”

天問一號外表面穿著一件銀色的“沖鋒衣”。這件“沖鋒衣”的應用軌道主要在地火轉移軌道、火星捕獲軌道以及火星停泊軌道三段，這件銀色外衣光滑而閃耀，看著很有時尚感。其實，這件外衣正是由航天科技集團五院529廠歷時兩年精心研制的，蘊含了多項自主關鍵技術，隻為天問一號在這件“沖鋒衣”的保護下，能在乘風破浪的旅程裡更加安全、舒適。

據介紹，天問一號在向火星靠近的飛行軌道裡需經歷多次的溫度循環變化，最高溫可達100℃、最低溫可達-120℃，這樣一個大溫差環境對天問一號內部設備正常工作的影響是極大的：真空環境使得天問一號在面對太陽的持續輻照下，無法像飛機那樣通過熱對流或熱傳導傳遞熱量，其向陽面表面溫度會持續升高，造成與背陽面的溫差巨大。這種工況下，將導致著陸巡視器內部溫度嚴重不平衡，“五臟六腑”有的處在寒冷環境中，有的卻處在高溫環境裡，更不要說宇宙空間裡持續不斷的高能紫外與電離輻射對其外表的損傷了。

因此，給天問一號穿一件特制的“沖鋒衣”尤為必要。這件“沖鋒衣”學名為低吸收-低發射熱控涂層，它是一種涂飾在航天器外表面的熱控制材料，通過其自身對太陽光譜輻照的反射能力，以及其自身的紅外輻射特性，從而有效地減少空間環境對航天器內部造成的溫度影響。同時，這款“沖鋒衣”還得抵抗宇宙空間中時時刻刻的高能紫外輻照、原子氧轟擊以及多種高能粒子與電離輻射的攻擊，全方位提供外部保護屏障，可謂“天問”奔火旅途中的全效防護服。

據悉，這件“沖鋒衣”採用了我國以往熱控涂層領域中從沒有過的技術。這種同時具備低吸收和低發射功能的熱控涂層，之前還從沒使用過。為了研發出這件“沖鋒衣”，研發團隊首先確定了熱控涂層低吸收與低發射兩項關鍵技術指標，再以這兩項技術指標為出發點，開展涂層的設計、仿真、制備、檢測及工程實施等一系列研發工作，在反復的試驗過程中，研發團隊不畏攻堅過程的艱辛，最終成功突破了多項低吸收低發射涂層研制的關鍵技術，成功為天問一號量身打造出了這身銀光閃閃的“沖鋒衣”。

這件“沖鋒衣”通過極低的太陽吸收比，可以長期有效地反射太陽輻照而來的絕大部分能量，這樣一來，天問一號內部“冰火兩重天”的問題就可以得到有效解決。此外，新“沖鋒衣”不僅低吸收而且低發射，與其他通過高發射率對外散熱的熱控涂層不一樣，如此設計的原因是因為天問一號總體的旅途是處在空間深冷環境下，自身內部發動機產生的熱量始終會向外界消耗，而10個月的飛行時間裡，外界冷環境對燃料的消耗極高，過多地貯備燃料，會給“克克計較”的航天器帶來重量上的負擔。因此，研發人員通過降低熱控涂層的紅外發射率，減少真空環境下艙內向外界的輻射漏熱，成功實現了對著陸巡視器內部設備正常運轉的溫度保障，確保了天問一號著陸火星后不會被“凍傷”或“燙傷”。

火星降落傘：

上萬次試驗確保平穩著陸

天問一號著陸時使用的降落傘長度可以達到34米，整體面積200平方米，它也是著陸過程中最重要的減速裝置之一。

航天科技集團五院508所總工程師、回收著陸領域專家黃偉介紹，開降落傘減速以后就可以為后面的減速發動機的減速創造條件。隻有降落傘正常工作了，后面的動力減速段才能夠正常。它的指標從兩馬赫一直降到95米/秒。通過這樣的減速，天問一號才不至於“粉身碎骨”。

除了降落傘本身，和它配套的彈傘筒是決定降落傘能否順利打開的關鍵，火星彈傘筒是我國研制的最大尺寸的彈傘筒，它要將體積為60升、重達40公斤的降落傘裝進去，比一般的彈傘筒要大很多。“因為降落傘面積達到200平方米，要裝在彈傘筒裡面，開傘的時候就靠彈傘筒把整個傘包給一次性推出去，而且要保証足夠的分離速度。彈傘筒裝有火藥，工作過程中，通過火藥燃燒產生的高溫氣體，將降落傘以35米/秒的速度彈射出來，幫助降落傘成功打開，幫助著陸巡視器減速。”黃偉說，相比於我國之前的航天器，天問一號面臨著更復雜惡劣的環境，這就對降落傘提出了更高的要求。

黃偉介紹，火星降落傘材料也有所不同。在神舟飛船、嫦娥五號、返回式衛星等航天器上使用的降落傘選材一般為錦絲綢，這種材料的優點是重量輕、強度大﹔但面對更加惡劣的火星環境，降落傘在選材上進行了升級，在一些局部的加強環節用到了新的芳綸材料，相比以前它的強度會有所提高。為了提高火星降落傘的強度可靠性，科研人員進行了上萬次試驗，除了材料升級，在加工環節也進行了改進。“像傘繩和傘衣連接的環節，以前都是採用縫紉的，后來改進了，採用這種穿過來以后再插接的方式，減少縫紉環節，提高連接的強度﹔此外，508所研制的4台小相機在天問一號著陸火星的過程中也發揮了重要的記錄功能。其中2台開傘監視相機在降落傘開傘前已開始工作，記錄並見証降落傘完美綻放的時刻。”

黃偉表示，這次天問一號成功降落，充分驗証了火星降落傘的可行性，火星降落傘將來也會應用到其他深空探測器當中。（廣州日報全媒體記者 肖歡歡 通訊員 蔡金曼、楊璐）