零距離
揭開天問一號(hào)火星環(huán)繞器神秘面紗
天問一號(hào)制動(dòng)捕獲效果圖。中國航天科技集團(tuán)八院供圖
伴隨天問一號(hào)成功被火星引力捕獲，其環(huán)繞器結(jié)構(gòu)也揭開了神秘面紗。天問一號(hào)探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成。這其中，“太空多面手”環(huán)繞器“一器分飾多角”，具備三大功能：飛行器、通信器和探測器。
中國首次火星探測任務(wù)探測器系統(tǒng)副總指揮兼環(huán)繞器總指揮張玉花表示，在近7個(gè)月的飛行過程中，天問一號(hào)環(huán)繞器首先作為飛行器，將著陸巡視器送至火星著陸軌道。待成功釋放著陸巡視器后，環(huán)繞器作為通信器，為著陸巡視器建立與地球之間的中繼通信鏈路。通信工作結(jié)束后，環(huán)繞器作為探測器對(duì)火星進(jìn)行科學(xué)探測。
“減肥瘦身”
據(jù)中國航天科技集團(tuán)八院天問一號(hào)環(huán)繞器結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)杜冬博士介紹，為了克服地球的強(qiáng)大引力、奔向火星，天問一號(hào)探測器總重量不能超過5000公斤，但為了到達(dá)遙遠(yuǎn)的火星，它又至少需要攜帶2500公斤的推進(jìn)劑，除去著陸巡視器占去的1300公斤重量份額，環(huán)繞器自身干重被嚴(yán)格限制在1200公斤以內(nèi)。
“環(huán)繞器的1200公斤包含結(jié)構(gòu)和其他各種設(shè)備的重量，還要兼顧2.5米可展開驅(qū)動(dòng)天線、太陽電池陣、高分辨率相機(jī)等多種大體積設(shè)備的安裝要求。”杜冬說，如何在重量有限的情況下實(shí)現(xiàn)高效的承載和設(shè)備安裝，成為了環(huán)繞器結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)面前的一只“攔路虎”。
環(huán)繞器結(jié)構(gòu)主任設(shè)計(jì)師王建煒說，對(duì)于航天器來說，質(zhì)心越低、重量越輕，發(fā)射成本就越小，所以結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要盡量降低質(zhì)心，優(yōu)化重量，同時(shí)兼顧設(shè)備安裝需求。圍繞著這個(gè)核心原則，結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)先后開展了多輪結(jié)構(gòu)構(gòu)型論證。
“探測器多一克的重量，付出的發(fā)射成本將遠(yuǎn)超一克黃金。”杜冬說，為了繼續(xù)“減重”，環(huán)繞器結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)還把目光投向重量最大的結(jié)構(gòu)核心部件——中心承力筒，并創(chuàng)新采用了“全復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)”，在材料上下功夫，使得環(huán)繞器在苛刻限重的條件下實(shí)現(xiàn)高效承載。
“火眼金睛”
天問一號(hào)探測器飛近火星的過程中，如何靠自己找到火星？
中國航天科技集團(tuán)八院光學(xué)導(dǎo)航專家鄭循江告訴記者，天問一號(hào)探測器上配置的光學(xué)導(dǎo)航敏感器，可以利用拍攝的恒星與火星圖像，精確計(jì)算出自身的飛行姿態(tài)、位置與速度，實(shí)現(xiàn)相對(duì)火星的自主導(dǎo)航。
“光學(xué)導(dǎo)航敏感器就好比天問一號(hào)火星探測器自動(dòng)駕駛過程中的‘眼睛’。”鄭循江說。據(jù)他介紹，在飛近火星的過程中，探測器靠這雙“眼睛”實(shí)時(shí)觀測火星的距離和方向，讓飛控團(tuán)隊(duì)可以更直觀地確認(rèn)飛行軌道和姿態(tài)，計(jì)算圖像中火星的幾何中心和視半徑，天問一號(hào)也就可以通過最優(yōu)估計(jì)算法，來自主獲取實(shí)時(shí)的位置和速度信息。
鄭循江說，7年來，在2500多個(gè)日日夜夜的攻關(guān)期間，研制團(tuán)隊(duì)不是在做試驗(yàn)，就是在去做試驗(yàn)的路上。正是有了廣泛的試驗(yàn)數(shù)據(jù)加持，團(tuán)隊(duì)完成了設(shè)計(jì)方案的多輪優(yōu)化，最終完成了最惡劣條件下的全部功能及性能的驗(yàn)證。
“這是我國首次在行星際轉(zhuǎn)移飛行過程中應(yīng)用光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)。”鄭循江說，國內(nèi)并無先前的工程經(jīng)驗(yàn)可參考，研制團(tuán)隊(duì)一點(diǎn)點(diǎn)摸索，設(shè)計(jì)了大大小小百余個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，最終使中國成為世界上第二個(gè)掌握并在軌驗(yàn)證了火星光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)的國家。
