据新华社消息 ， 5月15日7时18分 ， 我国首次火星探测任务天问一号探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆 ， 在火星上首次留下中国印记 ， 迈出了我国星际探测征程的重要一步 。 后续 ， 祝融号火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检驶离着陆平台并开展巡视探测 。
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红星新闻从中国航天科技集团六院获悉 ， 由航天科技集团六院研制交付的78台各型发动机 ， 推举长征五号遥四运载火箭 ， 助力天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区 。
2020年7月23日 ， 在文昌航天发射场由长征五号遥四运载火箭发射升空 ， 成功进入预定轨道 ， 迈出中国自主开展行星探测的第一步 ， 经历四次轨道中途修正 ， 按计划实施火星捕获 ， 顺利进行绕火飞行 ， 传回首幅火星图像 ， 成功进入火星停泊轨道……经过漫长的飞行与发动机的数次点火 ， 天问一号探测器至今已在浩瀚星空中飞行295天 。
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“天问一号”采用的是由液体火箭发动机提供反推力的方式来实施最后的减速 ， 此方法已在嫦娥三、四、五号探测器落月过程中连续三次成功实施 ， 火星着陆巡视器7500N变推力发动机正是落月用变推力发动机的2.0版——为了满足火星探测器安装结构要求和减重需求 ， 并提升发动机性能 ， 研制团队首次在我国开展深空探测的航天器上将推进分系统发动机燃烧室从以往的低室压方案改进为中室压方案 ， 从而保证了相同推力情况下 ， 发动机体积更小、性能更高 。 加上不断创新和优化生产工艺 ， 有效实现了推进分系统的轻质化需求 。
应对高风险 成功实施绕火飞行
要想成功飞向火星 ， 搭载火星探测器的运载火箭必须达到第二宇宙速度 ， 方能助力探测器脱离地球引力 ， 踏上神秘的探火之旅 。
在长征五号遥四运载火箭上 ， 配置了由航天科技集团六院研制生产的新一代绿色无污染的8台120吨级液氧煤油发动机、2台50吨级氢氧发动机、2台9吨级膨胀循环发动机及18台作为辅助动力的姿控发动机 。 这30台四型发动机 ， 将我国运载火箭的近地轨道运载能力 ， 从9吨提升至25吨 ， 从而实现火箭的一飞冲天 ， 为天问一号探测器向着火星的漫漫星途提供强劲可靠的动力保障 。
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在经历近7个月的奔火旅程后 ， 天问一号探测器成功开始绕火星飞行 ， 从它发回的飞行视频中 ， 火星大气、火星表面的环形地貌清晰可见 。
绕火星飞行 ， 是我国第一次火星探测三步走任务“绕、着、巡”中的第一步 ， 也是整个火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一 。
超过4.75亿公里的飞行距离里 ， 天问一号始终以太阳为中心飞行 ， 力保在探测器到达火星轨道时 ， 火星也刚好达到 ， 从而实现被火星捕获 ， 成为围绕火星飞行的一颗卫星 。
只有实现这个前提才能完成后续探测器进入到着陆前的停泊轨道、实施着陆和开展火星表面工作等一系列关键动作 。 这一过程 ， 也可以理解为一辆行驶在高速公路上的汽车即将寻找一个准确的时机进入匝道 ， 这要求对它当前位置作出精准的测量 ， 并保证能够稳、准、狠地踩下刹车 。
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这是一个一次性不可逆的过程 ， 如果一旦发动机未能点火 ， 或是点火姿态出现问题 ， 将会导致整个任务的失败 。
由六院研制生产的3000N轨控发动机就是肩负着近火制动任务的关键 。 要确保在15分钟左右的时间里 ， 把探测器与火星的相对速度从每秒5.1公里降低到每秒4.5公里 ， 这要求发动机不仅要快速点火启动 ， 还要保证在额定点长时间连续稳定工作 。
在探火之旅的整个过程中 ， 六院为我国深空探测任务专门研制的3000N轨控发动机承担着三项任务 ， 一是地球转移到火星过程中的姿态修正 ， 二是在接近火星时的“刹车制动” ， 三是在火星附近的轨道调整 。
该型发动机从2010年立项到2016年定型 ， 经历了多项考核 ， 充分验证了各项关键技术 ， 具有高比冲、多次起动、长寿命、环境适应性良好等优点 。
突破高难度 顺利实现安全着陆
相较之前的探月任务有所不同 ， 火星表面存在以二氧化碳为主要成分的稀薄大气 ， 会在发动机下降过程中带来摩擦生热等问题 。 因此探测器着陆方式也从之前月球真空环境下的变推力发动机反推着陆 ， 改变为降落伞和变推力发动机共同作用 。
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六院研制团队还对变推力发动机表面的涂层材料做了改进 ， 以更好地适应100m/s的火星大气来流对发动机涂层的冲刷等影响 。 用绿色、先进、可靠的液体动力技术 ， 护送祝融号火星车安全踏上火星地表 。
在天问一号探测器上 ， 六院研制交付了着陆巡视器和环绕器的推进分系统 ， 共计48台大大小小的发动机 。 它们分别为着陆器着陆过程悬停、避障及缓速下降过程提供了可靠动力 ， 为环绕器系统提供轨道转移、制动捕获、轨道调整以及姿态控制所需的精准动力 。
当进入合适的着陆时机 ， 天问一号在3000N发动机作用下 ， 下降到距离火星100km的高度 ， 实现环绕器和着陆器分离 。
为使着陆巡视器降低运行速度达到着陆要求 ， 作为着陆巡视器主发动机的7500N变推力发动机接续发挥关键作用 ， 为着陆巡视器动力减速、悬停避障和缓速下降等软着陆任务提供轨控推力 。
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该型发动机是六院研制团队在借鉴探月任务中7500N变推力发动机工程经验基础上 ， 根据火星探测任务全新设计制造的发动机 。 并且相较之前探月任务中同样推力的7500N发动机 ， 为了满足火星探测器安装结构要求和减重需求 ， 并提升发动机性能 ， 研制团队首次在我国开展深空探测的航天器上将推进分系统发动机燃烧室从以往的低室压方案改进为中室压方案 ， 从而保证了相同推力情况下 ， 发动机体积更小、性能更高 。
制造过程中 ， 改进型7500N变推力发动机与以往7500N发动机的性能和推力一样 ， 但重量和体积只有以前发动机的三分之一 ， 结构也更加优化、紧凑 。 发动机的对接法兰框还首次采用3D打印技术 ， “一次打印成型”避免大余量去除原实心棒材或锻件引起的变形 ， 也保证了发动机与总体对接的质量稳定性 。
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与此同时 ， 环绕器在3000N发动机作用下 ， 高度开始抬升 ， 回到环火轨道 ， 对火星全球环绕探测 ， 持续为火星表面探测和地球的通信担当中继卫星 。
在此过程中 ， 两器推进分系统中的小姿控发动机 ， 也起到了不可替代的作用 ， 与上述两型发动机一起 ， 成就了探测器环火和着陆时精准的身姿 。
实施新技术 圆满完成巡火任务
时延 ， 是人类进行深空探索面临的共同难题 。 与嫦娥三号探测器类似 ， “天问一号”在降落过程中有降速、悬停、缓速下降等动作 ， 对发动机实时响应能力要求很高 。 但此前嫦娥探月时 ， 时延只有一两秒 ， 感觉并不明显 ， 大多数时候地面仍可以直接控制探测器的动作 。
然而当天问一号到达火星时 ， 探测器状态信号需要在宇宙空间里跑30分钟左右才能到达地球,地面上的操控人员即使能实时作出判断回复 ， 到达探测器时又已经过去了30分钟 ， 早就错过了合适的动作时机 。
因此 ， 在推进分系统的前期设计中 ， 六院研制团队使用了自主管理系统 ， 让探测器自己判断突发情况自己采取行动化解 ， 实现当判断动作时机到来时 ， 天问一号能够自动执行任务 。
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按照计划 ， 近火捕获开始15分钟后发动机点火就会结束 ， 但因为飞行的轨道设计 ， 发动机点火开始后没多久 ， 天问一号就飞到了火星背面的“星掩区” ， 火星的遮挡完全中断了探测器和地球之间的通信 。 为实现自主管理 ， 确保任务顺利完成 ， 六院研制团队开展头脑风暴 ， 分别为环绕器和着陆巡视器设想了10余种自主管理方案和故障预案 ， 比如发动机贮箱欠压、超压等 。 为推进分系统开展了发动机故障自主切换冗余设计、配置了制导导航和控制系统等保障 。
除此之外 ， 推进剂加注历来是航天器在发射场工作的重中之重 。 火星探测器加注是金属膜片贮箱和表面张力贮箱在一次任务中同时加注 ， 也是两个叠加的航天器一次性实施加注 ， 因贮箱结构不同 ， 加注方案差异很大 ， 加注量精度和加注均衡性要求高 ， 加注时间漫长 ， 整个过程需要8个昼夜 ， 技术难点大 ， 也是国内首次正式实施的高难度高风险加注任务 。
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航天科技集团六院院长王万军表示 ， “10个月的时间 ， 六院人的心一直与天问一号一起在深空飞翔 ， 始终牵挂她的安危 ， 如今成功实现火星软着陆 ， 充分验证了我院研制的78台发动机的性能 ， 这为我们完成后续任务增添了信心 。 ”
红星新闻采访人员 任江波 图据航天六院
编辑 李彬彬
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