“上海元素”为我国首次探火保驾护航

长征五号运载火箭的助推器。张阳 摄

火星矿物光谱分析仪实验室测试照片。（中科院上海技物所供图）

位于上海松江的“天马望远镜”是VLBI测量网的“主力军”。记者 袁婧摄

“天问一号”昨天开启飞向火星的旅程，将一步实现“环绕、着陆、巡视”三个任务目标。

火星环绕器和长征五号四个助推器均由中国航天科技集团有限公司八院抓总研制，前者是“天问一号”火星探测器的重要组成部分，后者则为火星探测器的安全发射和精确入轨保驾护航。此外，中科院上海天文台牵头负责的甚长基线干涉测量（VLBI）测轨分系统，则可以帮助“天问一号”清晰定位、在漫长旅途中找准方向。中科院上海技术物理研究所研制的两大载荷：搭载在火星车上的火星表面成分探测仪和轨道器上的火星矿物光谱分析仪，将替我们到火星去探索这颗星球的奥秘。

　　一个好“箭”四个帮

“天问一号”的运载工具长征五号运载火箭，被外界视为火星探索的“太空巨无霸”。上海航天人总承研制了火箭的四个3.35米助推器、助推伺服系统、外安、芯级配套电池。

长五由直径5米的芯级火箭和四个直径3.35米的助推器组成，其中四个助推器是起飞的主要动力源。它们的力气有多大？火箭超过1000吨的起飞推力中，四个助推器就提供了90%以上。

根据总体设计方案，火箭采用助推主支撑的方式，即在全箭竖立时，靠分布于四个助推器上的12个支撑点停放在发射台上。要实现这种支撑，对助推器的结构设计要求非常高，不仅要承受住火箭800多吨自身重量，抵挡住文昌航天发射场特有的大风，还要让火箭在助推飞行过程中将几百吨推力有效传递给芯级，并经受发动机产生的复杂热环境考验。

长五副总指挥兼副总设计师鲍国苗介绍，自2006年10月立项以来，八院研制团队先后突破了低温POGO分析和抑制技术、偏置集中力设计分析与试验技术、氦加温增压技术、尾部防热技术等14项重大关键技术攻关。虽然给研制团队加大了难度，但这一设计有利于减轻芯级尾段重量，提高火箭运载能力。

长五助推器首次采用斜头锥和前捆绑主传力结构。当发动机的推力往上传时，通过头锥上的前捆绑点传递给芯级。经测算，在头锥不足0.1平方米的前捆绑点处，实际要承受300多吨的偏置集中力载荷，这就像一个人“单肩”扛重物。为了抗住这股劲，研制团队为头锥量身定制了一款专属的“梁式”承载偏置集中力构型，用3000多个零件铆接而成斜头锥，而锥体与芯级的前捆绑点轴承支座则采用一体化设计，有效保证结构强度。最终这一设计通过了多舱段联合低温静力试验，有效验证了该型结构设计的可行性。

　　“多面手”无缝切换

集“飞行器、通讯器、探测器”三重功能于一身的环绕器，也是不折不扣的“上海制造”。首次火星探测任务探测器系统副总师兼环绕器总设计师王献忠介绍，火星环绕器设计寿命三年，采用“外部六面柱体+中心承力锥筒”构型，满足5个飞行阶段和11种飞行模式的设备布局需求。

火星环绕器携带着陆巡视器，主要完成地火转移、火星制动捕获、轨道调整等任务，并将为火星车提供三个月的中继服务；在科学任务段通过携带的高分辨率相机、中分辨率相机、次表层探测雷达等有效载荷，对火星开展约一个火星年的科学探测，实现对火星全球普查和局部详查。

这趟远途，环绕器不仅任务繁重，难度也是空前的，要经受飞行时间长、面临环境差、控制要求高、空间动作繁等众多考验。其能源系统就需要在整个任务过程中保证稳定可靠的电力供给。

电源分系统副主任设计师许峰表示，环绕器将根据太阳电池阵输出功率决定系统工作模式，分三种供电模式：锂离子蓄电池组供电模式、太阳电池阵与锂离子蓄电池组联合供电模式、太阳阵供电模式。

一双“慧眼”看火星

“天问一号”的火星环绕器和巡视器上，分别搭载了上海研制的“红外眼”和“激光眼”，它们将在抵达火星轨道、火星车成功着陆后正式开机，执行火星表面矿物成分分析的科学任务。

火星车上，会有一只伸出车身放激光的“眼睛”，凡是与这束激光接触到的矿物会瞬间气化，变成一缕等离子体的“轻烟”。而这缕“烟”所发出的光谱，就是火星表面成分探测仪用来获取物质元素成分和含量的重要样品。经过研发团队的巧妙设计，这只“激光眼”可以探测氢氧元素，帮助确定火星上是否有水存在。

矿物成分探测设备已是火星车的“标配”，不过去火星上“拍照”难度非常高，尤其设备要对抗火星昼夜高达160℃的温差。中科院上海技术物理研究所研究员徐卫明介绍，科研人员想尽各种办法为仪器穿上“保温衣”。而中科院上海光学精密机械研究所则为火星表面成分探测仪研制了优质高效的激光器。

上海技物所是此次任务中唯一承担了两个载荷研制的科研单位。另一个载荷——火星矿物光谱分析仪搭载在环绕器上，采用推帚式成像、多元实时动态融合的总体方案，同步实现轻小型、低功耗与高性能，可获取火星表面可见光至中波红外宽谱段的光谱成像数据。

天马指路“天问”探火

昨天，“天问一号”发射成功后，上海松江天马山下的亚洲第一射电望远镜“天马望远镜”随即启动观测，与乌鲁木齐、密云、昆明的射电望远镜一起，组成甚长基线干涉测量网（VLBI），为“天问一号”精确测定轨，为它一路“导航”，随时提供保障。

今年3月起，上海天文台佘山园区就忙碌了起来。中国科学院上海天文台高级工程师刘庆会介绍，为了胜任火星探测器测定轨任务，全国VLBI共更新了40多套设备，并为火星探测度身定制，开发了相应软硬件。

精准的频率信号对于VLBI观测来说至关重要。为此，VLBI测轨分系统团队为氢钟设计了校准系统，可自动补偿电缆热胀冷缩对氢钟信号传输产生的影响。

“我们还为参与VLBI观测的台站新安装了水汽辐射计，可测量出大气造成的信号时延并将其扣除。”刘庆会说，这是火星探测任务中首次启用的新技术手段，也是为了提高VLBI测量精度。

从昨天开始，整个VLBI团队的作息就与火星探测器紧紧关联在一起。目前，望远镜可以观测到火星的时段是每天23点到次日11点。接下来，观测时间每天都会提前几分钟。当“天问一号”探测器启动对火星的观测后，VLBI系统还将持续两年聆听来自火星的信号。

在“天问一号”探测器飞向火星的过程中，它将经历多次变轨，最终被火星所捕获。在这长达七八个月的过程中，VLBI所提供的测轨数据，对于每次变轨指令的准确下达都具有重要作用。 “如果测轨有偏差，那么点火时机、推力大小就会估算错误，尤其在被火星捕获的关键时刻，就会造成严重后果。”刘庆会说。

此后，当火星车开始工作后，VLBI还将负责接收一些来自火星车的信号，并对火星车进行定位。刘庆会透露，当“天问一号”探测工作正常展开后，他们将每周观测两次；而此前在关键弧段，则维持每天观测12小时的频率。

（原载于《文汇报》 2020-07-24 06版）