【模拟|“天问探火”背后的功臣】5月19日 ， 国家航天局发布了火星探测天问一号任务探测器着陆过程两器分离和着陆后火星车拍摄的影像 ， 再次引发公众关注 。
作为中国第一次真正意义上的深空之旅 ， 火星探测的重要性和挑战性都不同于以往 。 利箭腾飞、祝融巡火的壮丽背后 ， 是不容毫秒偏差的精准、是连一个弹簧都非比寻常的高科技 ， 是从机械力学到计算机、新材料、岩土工程等多学科领域的综合 ， 更是无数科研工作者的付出 。 除了我们所熟悉的发射者、设计者之外 ， 天问一号背后还有哪些幕后功臣？他们赋予了天问一号哪些高超性能？让我们一起走近他们 。
“地火传书”背后的通信员：
“‘祝融号’抵达后 ， 我的生活就进入了火星时间”
5月19日晚上7点 ， 中国航天科技集团八院天问一号环绕器软件主任设计师张海吃过晚饭 ， 准时来到北京航天飞行控制中心 。 在和白班同事进行报表交接后 ， 他和夜班的其他同事来到会议室 ， 讨论汇报这一天火星探测器的运行情况 。
“一切正常 。 ”张海欣慰地说 ， 自“祝融号”5月17日首次与环绕器建立通信链路 ， 传回“第一封家书”后 ， 目前状态不错 ， 通信网络也十分通畅 ， 后期定会有更多数据传回 。
天问一号探测器主要由环绕器和着陆巡视器（含“祝融号”火星车）两部分组成 。 前期 ， 环绕器是搭载“祝融号”的星际专车 。 在将“祝融号”安全送达火星后 ， 环绕器上升至中继轨道 ， 此后数月它将变身通信器 ， 建立起“祝融号”与地球之间的中继通信 。
地球到火星的距离是到月球距离的1000倍 ， 最远超过4亿公里 。 4亿公里“长途通信” ， 难度可想而知 。 环绕器总体主任设计师牛俊坡告诉采访人员：“地面站与探测器间通信是通过无线电波实现的 ， 距离越远信号衰减越大 ， 我们接收到的信号就越微弱 。 此外 ， 这种超远距离还会导致通信延时变长 ， 一条信息从火星传回地球 ， 最久要22分钟 。 更难的是 ， 环绕器处于不断飞行运动中 ， 不是全天候对准地球的 ， 而信息又必须在它以特定角度、稳定姿态对准地球的情况下才能传回 。 ”
在火星车着陆初期阶段 ， 火星车与地面的通信通过环绕器采用UHF频段+X频段两种中继通信方式进行 。 为保证通信质量 ， 团队为环绕器配置了最强“千里眼”“顺风耳”——深空应答机加高增益收发天线 。 X频段深空应答机负责环绕器与地面的通信 ， UHF频段收发信机负责“祝融号”与环绕器之间通信 ， 再加上2.5米口径的大天线 ， 共同构成一个立体通信网 。
牛俊坡笑称 ， 自“祝融号”抵达后 ， 自己的生活就进入了火星时间 。 在飞控人员面前的显示器上 ， 采访人员看到三种时间 ， 一个是北京时间 ， 一个是遥测时间 ， 即最近一项数据从火星上传回来的时间；还有一个 ， 就是牛俊坡说的火星时间 。 工作人员将“祝融号”着陆的那一刻设为第一个火星日 ， 到今天 ， 已经是第十个火星日了 。 在这些紧张忙碌的火星日里 ， 包括张海在内的8名工作人员被分成测控岗和综合电子岗 ， 前者负责地面、环绕器、火星车之间的通信 ， 后者负责遥控指令处理等 ， 24小时不间断对天问一号进行监测遥控 。 这样高密集的工作将一直持续到本月月底 。
天问已至 ， 求索无疆 。 牛俊坡笑着说 ， 这还不是最累的时候 ， 等通信工作结束后 ， 环绕器将对火星进行遥感探测直到寿命结束 。 “现在它在中继轨道 ， 一天绕火星转三圈；到了遥感轨道 ， 一天就不止三圈了 ， 任务量会更多 。 ”
成功着陆背后的“造星人”：
“把危险提前模拟出来 ， 让它学会怎么处理”
5月15日 ， 天问一号着陆巡视器降落在火星乌托邦平原南部 。 “稳了！”得知这一消息 ， 天津大学建筑工程学院教授蒋明镜欢呼起来 ， 像是自己学生考上理想高校一样 。
如果把此次火星登陆比作高考 ， 那发射前的试验就是模拟考 ， 而蒋明镜教授和他的“北洋能源与环境岩土团队”就是“出卷老师” 。 火星探测器的着陆时间一般为7—8分钟 ， 这几分钟无法进行人工控制 ， 一切全要靠“祝融号”自己来完成 。 为了让“祝融号”“一次考过” ， 蒋明镜团队花了两年时间 ， 在河北省怀来县模拟建造了一个火星表面 ， 让“祝融号”在此提前验证那决定成败的着陆过程 。
蒋明镜的主要研究方向是岩土工程 ， 他和石头、土块打了几十年交道 ， 之前也参与过月壤模拟研究 。 但这次火星地表模拟 ， 对他依然是个不小的挑战 。
“火星引力仅为地球的38% ， 地形复杂 ， 北半球是被熔岩填平的低原 ， 南半球是充满陨石坑的高地 ， 中间以斜坡分隔 ， 火山地形穿插其中 ， 比月球复杂多了！”蒋明镜说 ， 为了尽可能真实还原 ， 团队建造了多个场景 ， 不仅模拟了火星地貌特征还模拟了重力、激光特征等 。
“为保万无一失 ， 我们做了多种极端工况 ， 把不利因素都考虑了进去 ， 什么样最危险 ， 我们都提前模拟出来 ， 让它学会怎么处理 。 ”蒋明镜介绍 ， 光陨石坑 ， 团队就做了几十个 。 目的是为了让“祝融号”着陆时能够识别 ， 不降落在上面 。 “因为陨石坑不平整 ， 且坑内土壤的力学性能不明确 ， 降落在上面可能会导致着陆器倾倒 。 ”
“祝融号”落在什么样的地方最好？这次着陆点选在乌托邦平原南部有什么考虑？
蒋明镜说 ， 选在这里着陆 ， 一方面是出于安全考虑 ， 这里地形平缓 ， 陨石坑较少 ， 另一方面也源于这个地方的科学考察价值 。 如果仅从安全性上说 ， 理想情况是降落在平缓的表面上 。 “有点像立定跳远 ， 必须落到沙场里面 ， 如果那附近有一块石头 ， 就不能往上踩 ， 踩上去脚就要扭了 。 ”蒋明镜表示 ， 即便落在“沙场”上 ， 也还得保证“祝融号”不会陷进去 。 为此 ， 团队模拟研究了火星土壤的承载力 ， 提前预估了这些土大约能承载多大重量 。
今年32岁的石安宁是天津大学岩土工程专业的博士生 ， 也是蒋明镜团队中的一员 。 他告诉采访人员 ， 前半年 ， 他们主要是在“实验室里造土”：“这是我们首次登陆火星 ， 火星土壤什么样 ， 谁也没见过 。 所以我们一方面参考了国外已有的火星探测资料 ， 另一方面是依据团队之前研究月球土壤模拟物的经验 。 最后选取火山灰作为原材料 ， 在实验室内进行物理力学试验 。 ”
整个“造星”过程 ， 最难的环节是施工 。 石安宁回忆：“为了保证按时发射 ， 场地建设一直在赶工期 ， 但怀来一年中大部分时间都是低温大风天气 ， 对施工影响很大 。 ”
克服重重困难 ， 2019年9月 ， 项目如期完工 。 当年10月到11月 ， 这里进行了7次着陆器悬停避障试验 。 蒋明镜还记得 ， 2019年11月14日 ， 首次对外公开试验当天 ， 怀来夜晚的温度已降到零度以下 。 在寒冷的北风中 ， 他怀着紧张又期待的心情目睹火星探测器升到空中六七十米高度 ， 点火后缓慢降落到中间高度 ， 悬停四五分钟后 ， 平稳落在地面上 。 现场十几个国家的驻华大使 ， 都赞叹不已 ， 那一刻 ， 蒋明镜觉得 ， 一切辛苦都值了 。
而对石安宁来说 ， 他目前最期待下一步天问二号的火星取土返回：“我很想研究一下真实的火星土壤有什么物理力学性能 ， 如果以后国家建设火星基地 ， 就可以提供帮助 。 ”
轻装上天背后的“瘦身教练”
“探测器多一克重量 ， 增加的发射成本远超一克黄金”
奔向火星 ， 要克服地球强大的引力 ， 这要求天问一号探测器的总重量不能超过5000公斤 。 但远途旅行 ， 天问一号要带不少“行李”——光推进剂就至少2500公斤 。 为了上天 ， 天问一号不得不自己瘦下来——它的结构部件应用了世界上最轻的金属结构材料之一——新型镁锂合金 。
“密度低、抗电磁干扰、抗辐射……”谈起镁锂合金的优点 ， 西安交通大学材料科学与工程学院教授柴东朗如数家珍 。
作为这一材料的研发者 ， 早在2005年 ， 柴东朗就开始了这项研究 ， 灵感源自和朋友的一次聊天 。 “航天探测器要飞到遥远的宇宙 ， 太胖肯定不行 。 ”从搞航天工程的朋友口中 ， 柴东朗得知 ， 重量对卫星发射和火箭推力有着巨大的影响 。 过去 ， 航天的主体材料大部分是铝合金 ， 因为航天器对材料的强度及密度要求很高 ， 只有铝合金能满足 。 “当时 ， 我正在做碳化硅增强铝基复合材料的研究 ， 这种材料性能虽高 ， 但其密度与铝相仿 。 我就想能不能把它做轻一点？”柴东朗说 ， 在所有金属中 ， 锂的密度最低 。 他先试着把锂加了进去 ， 材料的重量是减轻了 ， 可强度也变低了 。 于是他又用其他合金化手段来提升材料的强度及耐热性、耐腐蚀性 。 在团队的不懈努力下 ， 终于试验成功 。 此后 ， 又进行开发应用 ， 先后用了10年时间 ， 新型镁锂合金才最终面世 。 与铝合金相比 ， 同样大小 ， 它的重量仅是铝合金的一半 。
对于航天产业而言 ， 重量减轻除了能减少对火箭推力的要求 ， 还有一个重要意义是省钱 。 “探测器多一克的重量 ， 增加的发射成本远超一克黄金 。 ”镁锂合金生产制造方这样表示 。
2016年12月22日 ， 柴东朗在酒泉卫星发射中心亲眼目睹了自己多年的技术成果落地 。 那一天 ， 长征二号丁运载火箭搭载着高分辨率微纳卫星顺利升空 。 这颗卫星的整体结构材料采用的就是镁锂合金 。 卫星升空那一刻 ， 柴东朗没忍住 ， 掉下了眼泪：“心情是很激动的 。 因为低密度的镁锂合金国外之前就有了 ， 但咱们国家一直没有 ， 国外也不卖给咱们 。 现在我们终于用上自己的新材料了！”发射结束后 ， 柴东朗还特意去了为航天事业献身的烈士们的陵园 。 中国航天人一丝不苟、为国奉献的事迹让他再一次心潮澎湃 。
如今 ， 柴东朗已年逾七旬 ， 他最初研究镁锂合金时的一头黑发也染上了岁月的风霜 。 但他依旧闲不下来 。 这几年 ， 他带领团队对镁锂合金进行进一步改良 ， 这次用在天问一号上的就是改进升级后的 。 “通过制备工艺改进及成分调整 ， 现用的镁锂合金密度更低 ， 大概是每立方厘米1.5克左右 。 而我们现在研制的第二代镁锂合金密度比这个还要低 。 目前 ， 实验室的研发工作已经基本上完成了 ， 希望能用到以后的航天产品上面 。 ”（本报采访人员 王雅婧）
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