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青年报·青春上海记者 郭颖

2020年7月23日12：41，由中国航天科技集团有限公司研制的我国首次自主火星探测任务探测器“天问一号”搭载长征五号遥四运载火箭，于文昌航天发射场成功发射。7个月，4亿公里，中国人正式向火星进发！

  上海航天负责环绕器总体设计与研制  

“根据任务分工，中国航天科技集团有限公司第八研究院承担本次火星探测任务中的环绕器总体设计与研制工作。”首次火星探测任务探测器系统副总指挥兼环绕器总指挥张玉花表示，八院在研制过程中攻克火星制动捕获、长期自主管理等关键技术难点，将实现地火间的超远距离测控通信，并将通过环绕探测实现火星全球性、综合性探测，完成火星表面重点地区高精度、高分辨率精细详查。

首次火星探测任务探测器系统副总师兼环绕器总设计师王献忠介绍说，火星环绕器采用“外部六面柱体+中心承力锥筒”构型，满足5个飞行阶段和11种飞行模式的设备布局需求。火星环绕器携带着陆巡视器，主要完成地火转移、火星制动捕获、轨道调整等任务，为火星车提供3个月的中继支持服务，通过携带的高分辨率相机、中分辨率相机、次表层探测雷达等有效载荷对火星开展约一个火星年的科学探测，实现对火星全球普查和局部详查。

据介绍，环绕器具备三大功能：飞行器、通信器和探测器。约七个月的飞行过程中，环绕器首先作为飞行器，将着陆巡视器送至火星着陆轨道；待成功释放着陆巡视器后，环绕器作为通信器，为着陆器建立与地球之间中继通信链路；通信工作结束后，环绕器作为科学探测器对火星进行遥感探测。

环绕器具备四大特点：飞行时间长，面临环境差，控制要求高，空间动作繁。环绕器不仅任务繁重，其难度也是空前的。

飞行时间长：此次地火飞行路径超过4亿公里，在漫长的7个月里任何一个环节出问题，都将前功尽弃。

面临环境差：由于器地距离远，导致通信时延大，当地球与探测器相距最远时，单向通信延时将达到22分钟，一来一回通信延迟44分钟；同时，因为空间信号衰减，环绕器接收到的信号非常微弱，环绕器要克服巨大的信号衰减、传输时延和外界干扰等因素。         

控制要求高：由于器地通信的时延和长期日凌中断问题，环绕器需要具备很强的自主姿态控制能力才能确保探测器的安全。同时由于我国对火星空间和行星际空间的复杂环境还很陌生，很多步骤只能依靠自主判断来完成，挑战很大。

空间动作繁：环绕器不仅在不同阶段扮演不同角色，在扮演同一角色时还要同步完成多项操作，动作复杂意味着更多的不确定性。

环绕器此次任务涉及五个主要环节：地火转移、火星捕获、离轨着陆、中继通信、科学探测。

地火转移段：环绕器需要进行4-5次中途修正和一次深空机动修正飞行路径，走过超过4亿公里的路径，才能逐渐飞近火星。

火星捕获段：发射约200天后，探测器将被火星捕获，此时距离地球近1.93亿公里，单向通讯时延约11分钟，只能通过自主管理制动点火进入火星捕获轨道，这一脚“刹车”风险非常高：踩早了，速度降得过低就会坠入大气层撞击火星；踩晚了，就不能被火星引力捕获，从而飞离火星。

离轨着陆段：进入捕获轨道后，环绕器将调整至停泊轨道，完成着陆巡视器预选落区的探测和进入点位置调整动作。确认着陆条件满足要求后，将择机降轨释放着陆器，着陆器分离后环绕器再抬轨回到停泊轨道。

中继通信段：环绕器将再次进入中继轨道，为地球与着陆器提供为期3个月的中继通信服务，为它们搭建起沟通的桥梁。

科学探测段：中继任务结束后，环绕器将再次进行降轨进入科学探测轨道，并利用7种有效载荷，对火星轨道空间、火星表面开展科学探测，获取火星表面图像、地质构造和地形地貌、表层结构、矿物组成和分布、空间磁场环境、近火星空间环境粒子特征及其变化规律。

天问一号火星车

  升级故障预案确保探测成功  

50多年来，人类从未停止对火星的探测。国内外至今发射了46个火星探测器，成功率不足50%。那么，“天问一号”如何确保成功？

“首次火星探测任务探测器的设计过程中，对于已经识别出来的风险，都进行了充分的研究、制定了预案，探测器具备相应的故障诊断隔离和恢复能力，可以有效释放这些风险。 ”509所副所长王伟介绍说，“对于潜在的风险，在设计过程中也进行了反复的研究，特别是精确的环境参数、轨道动力学参数、火星大气进入气动模型、火星地形地貌特征等，在探测器设计过程中会对这类关键参数进行‘拉偏’，并进行充分分析和验证，确保探测器在到达火星空间之后，能够适应真实的飞行环境，保障整个任务的成功”。 

“可以说，对于火星探测过程中可能出现的问题和特殊状况的分析研究，贯穿于火星探测器的设计全过程。”王伟说，“所有预案的设计，充分借鉴了国际上已有的火星探测器的经验教训，应对措施都落实在火星探测器的设计方案里。 ”

据悉，此次火星探测器的故障预案总数，相对我国近地卫星来说是数量级的提升。“实际操作过程中，结合探测器的总体设计参数和分系统软硬件配置，对整器级、分系统级到单机级的所有故障模式及其预案都进行了梳理，并且在持续不断地修改完善。 ”王伟说。

火星探测器发射之后，地面飞控人员还能够通过在轨遥测数据分析，按需更新探测器上的控制程序，“类似于像软件升级一样”，进一步提升任务的可靠性。

此外，为了保证着陆器着陆点的范围要求，探测器将通过推力减速，降低至撞击火星轨道后，在预定时刻完成环绕器与着陆器的分离。分离动作完成后，环绕器需要迅速升高轨道以避免撞向火星；着陆器则飞往火星表面，完成软着陆后释放巡视器开展火星表面巡视探测，同时环绕器继续留在火星环绕轨道进行火星遥感探测。这一系列“太空芭蕾”般的动作都要依靠环绕器GNC（导航制导与控制）分系统的自主、准确、出色地工作。

未来，我国将以首次自主火星探测任务为基础，开展小行星探测、火星采样返回探测以及木星系及行星际穿越探测等深空任务。

青年报·青春上海记者 郭颖

编辑:张红叶

来源:青春上海News—24小时青年报