4億公里外“長途接線” 實(shí)驗(yàn)室里埋頭造土 “天問探火”背后的功臣

 

△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(jìn)行監(jiān)測。（中國航天科技集團(tuán)八院供圖）

 

5月19日，國家航天局發(fā)布了火星探測天問一號任務(wù)探測器著陸過程兩器分離和著陸后火星車拍攝的影像，再次引發(fā)公眾關(guān)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(zhàn)性都不同于以往。利箭騰飛、祝融巡火的壯麗背后，是不容毫秒偏差的精準(zhǔn)、是連一個(gè)彈簧都非比尋常的高科技，是從機(jī)械力學(xué)到計(jì)算機(jī)、新材料、巖土工程等多學(xué)科領(lǐng)域的綜合，更是無數(shù)科研工作者的付出。除了我們所熟悉的發(fā)射者、設(shè)計(jì)者之外，天問一號背后還有哪些幕后功臣？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(jī)拍攝，正對火星車前進(jìn)方向

 

“地火傳書”背后的通信員：“‘祝融號’抵達(dá)后，我的生活就進(jìn)入了火星時(shí)間”

 

5月19日晚上7時(shí)，中國航天科技集團(tuán)八院天問一號環(huán)繞器軟件主任設(shè)計(jì)師張海吃過晚飯，準(zhǔn)時(shí)來到北京航天飛行控制中心。在和白班同事進(jìn)行報(bào)表交接后，他和夜班的其他同事來到會議室，討論匯報(bào)這一天火星探測器的運(yùn)行情況。

 

“一切正常。”張海欣慰地說，自“祝融號”5月17日首次與環(huán)繞器建立通信鏈路，傳回“第一封家書”后，目前狀態(tài)不錯(cuò)，通信網(wǎng)絡(luò)也十分通暢，后期定會有更多數(shù)據(jù)傳回。

 

天問一號探測器主要由環(huán)繞器和著陸巡視器（含“祝融號”火星車）兩部分組成。前期，環(huán)繞器是搭載“祝融號”的星際專車。在將“祝融號”安全送達(dá)火星后，環(huán)繞器上升至中繼軌道，此后數(shù)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(yuǎn)超過4億公里。4億公里“長途通信”，難度可想而知。環(huán)繞器總體主任設(shè)計(jì)師?？∑赂嬖V記者：“地面站與探測器間通信是通過無線電波實(shí)現(xiàn)的，距離越遠(yuǎn)信號衰減越大，我們接收到的信號就越微弱。此外，這種超遠(yuǎn)距離還會導(dǎo)致通信延時(shí)變長，一條信息從火星傳回地球，最久要22分鐘。更難的是，環(huán)繞器處于不斷飛行運(yùn)動中，不是全天候?qū)?zhǔn)地球的，而信息又必須在它以特定角度、穩(wěn)定姿態(tài)對準(zhǔn)地球的情況下才能傳回。”

 

 

△由導(dǎo)航相機(jī)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(huán)繞器采用UHF頻段+X頻段兩種中繼通信方式進(jìn)行。為保證通信質(zhì)量，團(tuán)隊(duì)為環(huán)繞器配置了最強(qiáng)“千里眼”“順風(fēng)耳”——深空應(yīng)答機(jī)加高增益收發(fā)天線。X頻段深空應(yīng)答機(jī)負(fù)責(zé)環(huán)繞器與地面的通信，UHF頻段收發(fā)信機(jī)負(fù)責(zé)“祝融號”與環(huán)繞器之間通信，再加上2.5米口徑的大天線，共同構(gòu)成一個(gè)立體通信網(wǎng)。

 

?？∑滦ΨQ，自“祝融號”抵達(dá)后，自己的生活就進(jìn)入了火星時(shí)間。在飛控人員面前的顯示器上，記者看到三種時(shí)間，一個(gè)是北京時(shí)間，一個(gè)是遙測時(shí)間，即最近一項(xiàng)數(shù)據(jù)從火星上傳回來的時(shí)間；還有一個(gè)，就是?？∑抡f的火星時(shí)間。工作人員將“祝融號”著陸的那一刻設(shè)為第一個(gè)火星日，到今天，已經(jīng)是第十個(gè)火星日了。在這些緊張忙碌的火星日里，包括張海在內(nèi)的8名工作人員被分成測控崗和綜合電子崗，前者負(fù)責(zé)地面、環(huán)繞器、火星車之間的通信，后者負(fù)責(zé)遙控指令處理等，24小時(shí)不間斷對天問一號進(jìn)行監(jiān)測遙控。這樣高密集的工作將一直持續(xù)到本月月底。

 

天問已至，求索無疆。?？∑滦χf，這還不是最累的時(shí)候，等通信工作結(jié)束后，環(huán)繞器將對火星進(jìn)行遙感探測直到壽命結(jié)束。“現(xiàn)在它在中繼軌道，一天繞火星轉(zhuǎn)三圈；到了遙感軌道，一天就不止三圈了，任務(wù)量會更多。”

 

成功著陸背后的“造星人”：“把危險(xiǎn)提前模擬出來，讓它學(xué)會怎么處理”

 

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(wěn)了！”得知這一消息，天津大學(xué)建筑工程學(xué)院教授蔣明鏡歡呼起來，像是自己學(xué)生考上理想高校一樣。

 

如果把此次火星登陸比作高考，那發(fā)射前的試驗(yàn)就是模擬考，而蔣明鏡教授和他的“北洋能源與環(huán)境巖土團(tuán)隊(duì)”就是“出卷老師”?；鹦翘綔y器的著陸時(shí)間一般為7—8分鐘，這幾分鐘無法進(jìn)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(tuán)隊(duì)花了兩年時(shí)間，在河北省懷來縣模擬建造了一個(gè)火星表面，讓“祝融號”在此提前驗(yàn)證那決定成敗的著陸過程。

 

蔣明鏡的主要研究方向是巖土工程，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(gè)不小的挑戰(zhàn)。

 

 

△由環(huán)繞器的監(jiān)視相機(jī)拍攝的著陸巡視器分離過程圖像

 

“火星引力僅為地球的38%，地形復(fù)雜，北半球是被熔巖填平的低原，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，比月球復(fù)雜多了！”蔣明鏡說，為了盡可能真實(shí)還原，團(tuán)隊(duì)建造了多個(gè)場景，不僅模擬了火星地貌特征還模擬了重力、激光特征等。

 

“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(jìn)去，什么樣最危險(xiǎn)，我們都提前模擬出來，讓它學(xué)會怎么處理。”蔣明鏡介紹，光隕石坑，團(tuán)隊(duì)就做了幾十個(gè)。目的是為了讓“祝融號”著陸時(shí)能夠識別，不降落在上面。“因?yàn)殡E石坑不平整，且坑內(nèi)土壤的力學(xué)性能不明確，降落在上面可能會導(dǎo)致著陸器傾倒。”

 

“祝融號”落在什么樣的地方最好？這次著陸點(diǎn)選在烏托邦平原南部有什么考慮？

 

蔣明鏡說，選在這里著陸，一方面是出于安全考慮，這里地形平緩，隕石坑較少，另一方面也源于這個(gè)地方的科學(xué)考察價(jià)值。如果僅從安全性上說，理想情況是降落在平緩的表面上。“有點(diǎn)像立定跳遠(yuǎn)，必須落到沙場里面，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(jìn)去。為此，團(tuán)隊(duì)模擬研究了火星土壤的承載力，提前預(yù)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(xué)巖土工程專業(yè)的博士生，也是蔣明鏡團(tuán)隊(duì)中的一員。他告訴記者，前半年，他們主要是在“實(shí)驗(yàn)室里造土”：“這是我們首次登陸火星，火星土壤什么樣，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(jù)團(tuán)隊(duì)之前研究月球土壤模擬物的經(jīng)驗(yàn)。最后選取火山灰作為原材料，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)。”

 

整個(gè)“造星”過程，最難的環(huán)節(jié)是施工。石安寧回憶：“為了保證按時(shí)發(fā)射，場地建設(shè)一直在趕工期，但懷來一年中大部分時(shí)間都是低溫大風(fēng)天氣，對施工影響很大。”

 

 

△由環(huán)繞器的監(jiān)視相機(jī)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(xiàng)目如期完工。當(dāng)年10月到11月，這里進(jìn)行了7次著陸器懸停避障試驗(yàn)。蔣明鏡還記得，2019年11月14日，首次對外公開試驗(yàn)當(dāng)天，懷來夜晚的溫度已降到零度以下。在寒冷的北風(fēng)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(diǎn)火后緩慢降落到中間高度，懸停四五分鐘后，平穩(wěn)落在地面上?，F(xiàn)場十幾個(gè)國家的駐華大使，都贊嘆不已，那一刻，蔣明鏡覺得，一切辛苦都值了。

 

而對石安寧來說，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(shí)的火星土壤有什么物理力學(xué)性能，如果以后國家建設(shè)火星基地，就可以提供幫助。”

 

輕裝上天背后的“瘦身教練”“探測器多一克重量，增加的發(fā)射成本遠(yuǎn)超一克黃金”

 

奔向火星，要克服地球強(qiáng)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(yuǎn)途旅行，天問一號要帶不少“行李”——光推進(jìn)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(jié)構(gòu)部件應(yīng)用了世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)，西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授柴東朗如數(shù)家珍。

 

作為這一材料的研發(fā)者，早在2005年，柴東朗就開始了這項(xiàng)研究，靈感源自和朋友的一次聊天。“航天探測器要飛到遙遠(yuǎn)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(wèi)星發(fā)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?yàn)楹教炱鲗Σ牧系膹?qiáng)度及密度要求很高，只有鋁合金能滿足。“當(dāng)時(shí)，我正在做碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究，這種材料性能雖高，但其密度與鋁相仿。我就想能不能把它做輕一點(diǎn)？”柴東朗說，在所有金屬中，鋰的密度最低。他先試著把鋰加了進(jìn)去，材料的重量是減輕了，可強(qiáng)度也變低了。于是他又用其他合金化手段來提升材料的強(qiáng)度及耐熱性、耐腐蝕性。在團(tuán)隊(duì)的不懈努力下，終于試驗(yàn)成功。此后，又進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用，先后用了10年時(shí)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。

 

對于航天產(chǎn)業(yè)而言，重量減輕除了能減少對火箭推力的要求，還有一個(gè)重要意義是省錢。“探測器多一克的重量，增加的發(fā)射成本遠(yuǎn)超一克黃金。”鎂鋰合金生產(chǎn)制造方這樣表示。

 

2016年12月22日，柴東朗在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心親眼目睹了自己多年的技術(shù)成果落地。那一天，長征二號丁運(yùn)載火箭搭載著高分辨率微納衛(wèi)星順利升空。這顆衛(wèi)星的整體結(jié)構(gòu)材料采用的就是鎂鋰合金。衛(wèi)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?yàn)榈兔芏鹊逆V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?，F(xiàn)在我們終于用上自己的新材料了！”發(fā)射結(jié)束后，柴東朗還特意去了為航天事業(yè)獻(xiàn)身的烈士們的陵園。中國航天人一絲不茍、為國奉獻(xiàn)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(shí)的一頭黑發(fā)也染上了歲月的風(fēng)霜。但他依舊閑不下來。這幾年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對鎂鋰合金進(jìn)行進(jìn)一步改良，這次用在天問一號上的就是改進(jìn)升級后的。“通過制備工藝改進(jìn)及成分調(diào)整，現(xiàn)用的鎂鋰合金密度更低，大概是每立方厘米1.5克左右。而我們現(xiàn)在研制的第二代鎂鋰合金密度比這個(gè)還要低。目前，實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)工作已經(jīng)基本上完成了，希望能用到以后的航天產(chǎn)品上面。”（來源央視網(wǎng)轉(zhuǎn)載中央紀(jì)委國家監(jiān)委網(wǎng)站消息）