“十年磨一剑”打造我国首颗人造火星卫星

这个春节，中国首次火星探测任务再度引发关注。2月10日，天问一号探测器抵达火星轨道，成为我国第一颗人造火星卫星。2月12日，天问一号从遥远的火星轨道传来新春祝福，其火星捕获过程影像公开。2月15日，天问一号成功实施捕获轨道远火点平面机动。在天问一号环绕火星成功实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标之际，本版推出专题解读。

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在刚刚过去的春节假期，中国首次火星探测任务动作频频，接连走进公众视线——

先是2月10日晚，天问一号探测器抵达火星轨道，成为我国第一颗人造火星卫星，实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标，环绕火星获得成功。

接着是2月12日，天问一号从遥远的火星轨道传来新春祝福：其火星捕获过程影像公开，太阳翼、定向天线、火星大气层及表面形貌清晰可见。

最近一次则是2月15日，天问一号成功实施捕获轨道远火点平面机动。后续，它还将通过数次轨道调整，进入火星停泊轨道，计划于5月至6月择机实施火星着陆。

至此，天问一号探测器系统之环绕器副总设计师朱新波悬着的心，终于放了下来。他告诉中青报·中青网记者：“为了这一天，整个环绕器研制团队历经千锤百炼，足足等了10年！”

8名院士联名上书

如今回过头来看，天问一号的研制论证起点是2010年。那一年，我国刚刚发射第三颗北斗导航卫星，在月球探测上也刚迈出“绕、落、回”的第一步。外界很难想象，就是在这一年，中国航天人已经把目光投向火星。

中国首次火星探测任务探测器系统副总指挥兼环绕器总指挥张玉花说，2010年，在8名院士联名上书的推动下，我国深空探测重大专项论证拉开帷幕。自那时起，她所在的八院火星团队就开始全程参加我国深空探测的重大专项论证。2013年，根据分工，八院火星团队转入对火星环绕器的总体论证。

论证一开始，就遭遇一只只“拦路虎”：机会唯一的制动捕获如何踩刹车？过程复杂的两器分离如何设计？遥测遥控中断30天的“日凌期”如何度过？数亿公里外的火星探测器如何开展自主管理？

“面对这些难题，我们没有退缩，关键技术是环绕器的核心，绝不能假手于别人！”张玉花告诉记者，我国是深空探测领域的后来者，对深空探测所需的技术积累有限，为实现深空探测工程的目标，必须攻克一系列关键技术。

在攻克环绕器自主管理难题方面，朱新波带领团队组建了一个“敢啃硬骨头”的青年攻关小组。

这可不是一个只会坐在办公室伏案实验的“秀才团队”。朱新波告诉记者，为了更好地发挥协作优势，团队里的青年设计师频繁往返京沪之间，不断完善项目建议书和任务书，边论证边调研。

他举了一个例子：给火星轨道控制带来巨大挑战的是通信延时。由于探测器距离地球太过遥远，要踏入环火轨道的天问一号，与地球的通信延迟超过了10分钟，这意味着地面上的航天人无法对火星捕获情况进行实时监控、快速应对。

朱新波说，面对这样一段“视觉盲区”，轨道设计团队协同控制系统进行了近千种故障工况的分析，确定了关键参数及阈值，保证火星探测器在地面无法实时控制的情况下，对可能发生的情况进行恰当的判断和反应。

“凭着‘初生牛犊不怕虎’的干劲，我们才拿下深空探测自主管理与控制关键技术等课题，取得重大突破，才让后来的天问一号有了聪明‘大脑’。”朱新波说。

不过到这里，这场科研攻关大戏才刚刚开始。

唯一一次成功机会

天问一号在抵达火星轨道前，需要把握住唯一的机会，对火星进行“制动捕获”。作为中国首次火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一，这一动作被形象地称为“踩刹车”。

“为什么说只有一次机会？如果点火时间过长，探测器就会一头撞上火星；如果点火时间过短，探测器就会飞离火星。这对环绕器姿轨控分系统提出了极高要求。”朱新波说。

他打了一个比方：开车的人都知道，在高速公路下匝道需要让车速降下来，才能安全经过弯道。类似的，对于以高速度向着火星靠近的探测器来说，要想被火星引力所捕获，也必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段，精准、自主可靠地完成“刹车”。

从理论上说，给探测器一个反向推力，即可把它的速度降下来。但在工程实施过程中，仍会遇到不少问题：火星引力的“捕获窗口”有限，要求探测器在10分钟内将速度降低约每秒1公里。此外，由于通信延时，探测器必须完全依靠自身完成发动机点火和关机，克服发动机点火期间的扰动，实现点火方向和点火时长的精确控制。

难题摆在面前，年轻的研制团队再一次出手了。