哪些黑科技在为天问一号着陆火星保驾护航?

2021年5月15日7时18分,我国科研团队根据“祝融号”火星车发回遥测信号确认,天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功!

我国首次火星探测任务于2016年立项,计划通过一次任务实现对火星的“环绕、着陆和巡视探测”,这是世界航天史上还没有过的先例;2020年7月23日,天问一号探测器由长征五号运载火箭在海南文昌成功发射;2021年2月10日,成功实施火星捕获,成为我国第一颗人造火星卫星;2月24日,进入火星停泊轨道,开展了为期约3个月的环绕探测,为顺利着陆火星奠定了基础。随着探测器成功着陆火星,我国成为第二个成功着陆火星的国家,实现了从地月系到行星际的跨越,迈出了征服“星辰大海”的重要一步!

天问一号开展火星环绕、着陆和巡视探测的背后,有哪些我国独立自主研发的黑科技在保驾护航?

中国航天科工集团有限公司有关专家向记者介绍了该集团研制生产的相控阵敏感器高性能晶体元器件和电连接器、纳米气凝胶材料加速度计解锁分离装置等系列产品。

相控阵敏感器:首次亮相的太空“千里眼”

在天问一号着陆火星过程中,航天科工二院25所自主研发的相控阵敏感器首次实现地外天体着陆测量,发挥了关键作用。

据介绍,相控阵敏感器安装在火星着陆巡视器进入舱着陆平台的下方,作用范围达数十千米,可谓火星探测器的太空“千里眼”。它和其他不同原理的测量敏感器一起,密切配合,“接力”引导航天器平安落地。

相控阵敏感器在航天器进入火星大气后,距火星表面约 7公里高度时开始工作,持续提供相对于火星表面多个方向的距离、速度数据,用于航天器的减速、悬停和软着陆控制,直至着陆巡视器降落至火星表面约5米处。

航天器从130多公里的高空进入火星大气,时速高达每秒5.9公里,要在短短7分钟的时间内,让航天器的速度降低到零,是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻。

相控阵敏感器总工程师孙武介绍,这是国内首次将相控阵体制雷达应用于地外天体着陆测量。与此前的载人航天工程任务不同,火星和地球之间距离漫长,通信存在十几分钟的时延,在地球上无法控制着陆过程,必须让着陆巡视器自主完成这‘黑色七分钟’的旅程,对敏感器提出的要求极为苛刻。

“相比于国内外已有的着陆测量雷达,相控阵体制的雷达天线由多个辐射单元组成,就像生物学中蜻蜓的复眼,具有波束扫描快、指向灵活、目标容量大、抗干扰能力强等特点。”孙武详细介绍了新体制敏感器的技术优势。

“25所研制的相控阵敏感器可以提供9个方向的测量功能,探测的方向可以通过软件定义,航天器可以切换其中任意4个方向同时测量距离速度信息,从而快速修正航天器的姿态测量误差,准确地找到火星的水平面,确保着陆器的方向控制准确无误。”

相控阵敏感器主任设计师刘佳透露,火星着陆巡视器在下降过程中,会经历多种工作环境。与之前落月任务相比,由于火星重力比月球大,着陆下降加速度会更快,需要利用火星大气进行降落伞减速。在高速下落过程中打开降落伞,航天器会因减速冲击发生剧烈摆动,是影响着陆成败的关键时刻。

“这一瞬间,在相控阵敏感器的测量方向上,距离会有很大的变化,同时部分测量信号会打到地平线以上,出现检测不到目标的情况。”刘佳说,“对相控阵敏感器来说,就像在快速荡秋千时,眼睛要看清地面一页纸上写的字。”

测量速度快、受干扰影响小,相控阵敏感器为着陆成功提供了坚强保障。

此外,火星上时常会发生剧烈的尘暴天气,在巡视着陆器靠近火星表面时,航天器发动机喷射也会激起地面的粉尘和沙砾,对探测传感器造成影响。

“微波信号体制应对这种环境具有相对优势,”软件设计师徐秋锋说,“在这个前提下,产品在信号频段选择上做了充分的对比和论证,采用多种算法进行了综合优化,并在沙漠戈壁通过直升机气流模拟试验了在沙尘暴天气中的工作状态,确保测量的可靠性。”

深空探测任务的特点决定火星探测器需要在太空长时间工作,因而对自身的重量和体积提出了极为严苛的要求。目前国际普遍使用的着陆雷达,需要多个雷达天线实现不同方向的测量,而该型相控阵敏感器采用了瓦片式收发模块高密度集成,使用一套天线即可实现120%uB0视场内任意方向的精确测量,极大降低了产品重量和体积。“相当于用 1套设备完成9套传统设备的功能。”设计师贾学振介绍,“这意味着航天器可以携带更多科学载荷和燃料,完成更多的探测任务。”

“定制化设计”:为平稳着陆提供多重保障

应用降落伞减速,是确保探测器平稳着陆的关键环节之一。在任务前期,需要开展试验反复验证。

航天科工三院三部研制的“定制化”火箭制导舱,成功将4发试验火箭准确控制到试验预定高度、速度和姿态角窗口,有效验证了探测器着陆降落伞的各项指标。试验火箭一体化制导舱能够在火箭初始发射阶段和30公里以上高度飞行时,实现对火箭姿态的精准稳定控制。

天问一号离轨着陆阶段,三院33所研制的石英挠性加速度计提供了准确的加速度测量信息,帮助着陆巡视器实时获取速度、位置等信息,保障着陆巡视器GNC(制导导航与控制分系统)的自主惯性导航精度,为顺利着陆提供重要前提。

加速度计本次主要有两项任务,一是搭载于着陆巡视器,为其上的GNC(制导导航与控制分系统)提供加速度信息,确保自主惯性导航精度,为安全平稳着陆提供重要技术支撑;二是搭载于火星车上,实时“感知”运动过程中的姿态信息,从而为火星车安全平稳地巡视火星表面保驾护航。

本次执行任务的加速度计与此前在神舟系列飞船、探月工程等任务作出贡献的加速度计属同一系列。

技术人员透露,在设计方案上,对本次执行任务的加速度计继续保持了对温度控制、密封等环节的严密把控。任务前,还曾特意模拟火星环境对加速度计进行了低于零下100摄氏度的工作测试。测试显示,在这远超正常工作温度的环境下,加速度计依然能够提供测量数据。

天问一号着陆过程中,环绕器和着陆巡视器需要完成分离,着陆火星后,着陆平台需要释放火星车,每个环节都需要“定制化”的解锁分离装置来实现。

航天科工三院111厂为此次任务研制了两器连接解锁装置、背罩连接解锁装置、大底连接分离装置、火星车连接解锁装置等6项装备。这些关键部件实现了着陆巡视器与环绕器的连接解锁及分离功能,并在着陆后完成火星车与着陆平台的解锁分离。

纳米气凝胶:为稳定安全运行保驾护航

因探测环境差异巨大,天问一号需要接受“冰火两重天”的温度考验。

纳米气凝胶是一种不为大众熟知的神奇材料。它是由纳米尺度的固体骨架构成的一个三维立体网络,其密度可以做到比空气还轻,是世界上最轻的固体;导热系数仅为静止空气的一半,是导热系数最低的固体,这使它成为“天问一号”应对极寒、极热等严酷环境所需热防护材料的不二之选。

航天科工三院306所专家介绍,他们为天问一号研制了两类高性能纳米气凝胶材料,以其高效防寒隔热功能,为火星探测任务中应对极寒、极热两种严酷环境提供保障。其中,超低密度纳米气凝胶隔热板用于阻隔火星表面低至-120℃的极寒环境,该类超轻质材料密度仅为常规气凝胶材料的十分之一,可以有效降低火星车负载。耐高温纳米气凝胶隔热组件用于阻隔着陆发动机产生的高达1200℃的高温热流,保护着陆平台的正常功能。

航天科工二院203所为天问一号的通讯系统、制导系统、控制系统研制生产了系列晶体元器件产品。晶体元器件体积虽小,却可以为电子设备提供稳定的频率信号,因此常被称为电子设备的“心脏”。此次出征的晶体元器件产品具有可靠性高、性能指标优、环境适应性好等特点,能很好地满足探测器在太空中长时间飞行的需要。

航天科工三院304所对接收、处理火星探测数据的地面应用系统开展软件测试,为天问一号信号接收软件做好“体检”。304所研发的火星探测任务分析与评估系统,为测控总体的方案设计、过程仿真和结果评估提供定量化分析手段,有效支撑测控总体迭代优化。

航天科工所属航天江南航天电器公司为本次火星探测任务研制生产的连接器、继电器产品超过6000只(套),在相关系统中承担信号传输、信号控制与信号通断等作用,成为电信号传输系统的“神经枢纽”。探测器遨游太空、着陆火星,其一身“钢筋铁骨”离不开航天科工所属航天精工研发生产的数以万计高强度、高性能紧固件产品,在提高探测器耐高低温、抗疲劳等综合性能方面发挥了重要作用。

据悉,后续火星车将与着陆平台解锁分离,开启火星巡视探测任务。航天科工所属航天江南航天电器公司“定制化”设计研发了矩形分离连接器和射频脱落连接器,实现了火星车与着陆器之间控制信号的物理连接与分离,是保证背罩、大底和着陆器三大结构部件可靠分离的关键部件。

火星表面地貌复杂,如何让火星车在能够自如地爬坡下坎,航天科工所属航天江南群建精密公司为火星车设计研制了“定制化”的悬架减速自锁装置。这套装置由两部分组成,其中一部分用于夹角调节机构,另一部分用于离合器机构,二者相互配合,使得火星车能够精准调节车体姿态以适应火星表面地形地貌。同时,安装在火星车上的加速度计随时为GNC提供测量信息,确保火星车移动的过程中能够随时精准“感知”速度、位置,为火星车安全平稳地开展工作保驾护航。

 

面向十四五,团队提出了“更高性能、更多功能”的研究目标。面对航天航空领域需求,能够耐受更高温度、具有更好隔热性能的气凝胶材料、具有光电磁等特殊功能的气凝胶材料都在研发当中;面向国民经济主战场,团队正在开展低成本制备技术的研发,希望在新能源汽车、工业保温和建筑节能等领域扩大应用,为碳达峰和碳中和做出贡献。

回首60载,中国航天,逐月追星,步履从未停歇;放眼未来,每一个航天材料人都将不忘初心、砥砺前行,为下一个十年的空天征途续写新的辉煌篇章。

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