本文圍繞2022年度上海市科技進步獎一等獎“火星探測行星際飛行及環繞平臺技術”項目展開。該獎項由上海衛星工程研究所朱新波、褚英志、徐亮、張偉、王偉、王民建、張旭光、牛俊坡、杜洋、王建煒、信思博、楊金、閆奎、印興峰、于淼獲得。

幾個世紀前的大航海時代，人類第一次建立了跨越大陸和海洋的聯系，世界開始連成整體。而深空探測是連接地球和地外文明的橋梁，從嫦娥奔月到夸父逐日，人類從未停止追求星辰大海。

茫茫宇宙，火星承載著人類的厚重夢想。2020年7月，我國首次火星探測任務“天問一號”探測器成功發射。在隨后的幾百個日夜里，“天問一號”一次任務實現了“環繞、著陸、巡視”。而任務背后的火星環繞器研發團隊也獲得了2022年度上海市科學技術一等獎，他們開發的環繞器技術未來也將用于“天問三號”、“天問四號”等行星探測工程任務。

4億公里闖難關

“天問一號”任務中，火星環繞是關鍵環節。從地球飛往火星，飛行路徑超4億公里，“天問一號”耗時200多天。在近7個月時間里，探測器能順利被火星捕獲是第一關，也是火星探測任務中技術風險最高、最為關鍵的環節之一。

在火星探測器從地球飛向火星的過程中，能夠被火星引力所捕獲形成環繞軌道的機會只有一次。火星探測任務捕獲時，探測器距離火星最近僅400公里，稍有偏差就會撞擊火星或飛離，因此，捕獲的成敗就成為了火星探測任務成敗的關鍵。

探測器被火星捕獲僅僅是第一道關卡，此后還要面臨進入環火橢圓軌道、停泊探測、兩器分離、中繼通信、環火遙感等挑戰，任何一環出了問題，都將導致環繞任務失敗。

為了順利完成探“火”任務，中國航天科技集團八院上海衛星工程研究所火星環繞器副總設計師朱新波帶領團隊開發了火星環繞器，讓它負責攜帶著陸巡視器，完成地火轉移、火星捕獲、環火軌道調整、落區預探測；實施兩器分離，提供中繼支持服務；在遙感軌道，利用科學載荷對火星開展全球性、綜合性的環繞探測。

從近地到近火，環繞器要經歷大跨度的溫度變化。在環火陰影區，探測器進入-180℃的極端低溫環境，這對器上產品及系統熱控提出高要求。研發團隊通過系統熱設計、功率平衡確保了艙內溫度水平，艙外產品經過嚴格的材料選型與試驗驗證，確保滿足深低溫的環境適應性。

通常情況下，環繞地球運行的衛星都由地面控制中心根據衛星實時狀態和任務要求進行控制。但與地球衛星不同，由于器地距離遠，最遠時單向通信時延達20多分鐘，一來一回通信延遲40多分鐘，地面指令來不及實時干預探測器。

深空探測器與地面站通信還存在獨特的“日凌”現象，當探測器、地球和太陽位置處于同一直線時，太陽輻射會干擾地火之間射頻信號傳輸，導致通信中斷。而我國首次火星探測任務最長“日凌”達到30天。“日凌”期間，環繞器必須“自己照顧好自己”，依靠自身完成任務管理，并在出“日凌”后迅速自主與地面恢復聯系。

為了解決這些問題，研發團隊通過研制高度集成的小型化綜合電子系統，環繞器實現了器務管理、遙測遙控、熱控管理、配電管理、推進控制、機構驅動、數據存儲功能的一體化，為綜合信息自主管理奠定了硬件基礎。通過設計多系統多模式器上信息綜合自主處理方法，保證一級故障任務正常執行，二級故障整器安全，在軌實現了環繞器在軌自主運行大于30天的能力。環繞器通過X頻段兩維可驅動的2.5米大口徑數傳天線，實時驅動跟蹤，準確對準地球，向地球回傳環繞器的狀態及科學數據，最大速率達4Mb/s。

十年磨劍奔火星

從事航天工作已有20多年的朱新波在研發火星環繞器過程中，承擔了環繞器的抓總設計、系統研制過程質量控制、整星大型測試與試驗等研制全過程工作。他深感火星探測任務的特殊與難度。

“不同于地球衛星任務，深空探測任務對探測器的性能指標要求都是最高的，系統設計復雜，攻關難度大。” 朱新波說，由于火星、地球繞太陽運轉的天體規律，火星探測器的發射窗口每26個月才出現一次、要求非常苛刻，天問一號任務從啟動開始就確定了2020年7月份的發射窗口，不容推遲，這就給探測器的研制進度帶來了巨大壓力。

他和團隊從2010年開啟背景任務論證，其間經歷多輪次方案迭代，直到2014年正式啟動方案攻關，他帶領團隊開展火星環繞器的研制工作，方案、初樣、正樣三個研制階段持續了6年時間。在這期間，他們克服重重困難，完成了方案驗證器、初樣結構器、初樣電性器、正樣器的研制，整個研發過程前后歷時10年。

2020年7月，“天問一號”探測器在海南文昌衛星發射中心成功發射。朱新波帶頭研發的火星環繞器帶著全國人民的期盼奔向火星。他在現場通過回傳的遙測實時監測著火星環繞器的狀態。器箭分離后，“火星環繞器按照我們設計的動作一步一步精準地完成飛行狀態建立。”那一刻，他的內心激動不已。

在“天問一號”之前，我國沒有一手的火星探測數據，只能依靠國外。“天問一號”任務的成功實施，為我國科研工作者提供了大量科學數據，將產出大量科研成果。

離開地球約202天后，火星環繞器抵近火星。那天，火星環繞器不負眾望，如教科書般地完成了火星捕獲制動，成為了中國首顆人造火星衛星。“‘天問一號’邁出了我國行星探測的第一步，后續我們國家還會繼續探測火星和其他星球。”朱新波說，他和團隊開發的火星環繞器技術未來將應用于我國深空探測環繞類探測任務，如“天問三號”、“天問四號”等行星探測工程任務。

“深空探測任務是一項系統工程，需要集智攻關。” 朱新波感慨，在任務研制過程中必須充分發揮全國優勢，在頂層統一指揮領導下齊心協力，才能完成任務。與此同時，嚴慎細實才能保成功。所有地面問題在天上都是巨大的隱患。因此，研制過程中任何一個小細節都不能放過。他也勉勵青年，要在學習期間需要扎根基礎專業，建立系統觀念，多學習、多動手、持續更新知識、持續實踐操練，不斷提升綜合能力，讓幾代航天人矢志追求的航天強國夢成為現實。