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“地月合影”驚艷亮相 火星環繞器還有哪些獨特本領

2020年07月30日09:33 | 來源:人民網-科技頻道
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人民網北京7月30日電(趙竹青)7月27日,天問一號火星探測器通過其上的光學導航敏感器,在距離地球家園120萬公裡處回望,拍下了地月合影的珍貴一幕。在這幅黑白合影圖像中,地球與月球一大一小,均呈新月狀,在茫茫宇宙中交相輝映。

“天問一號”火星探測器系統由環繞器和著陸巡視器組成。隨著地月合影的驚艷亮相,集諸多本領於一身的火星環繞器也率先進入公眾視野。它有哪些獨特之處?又將帶著怎樣的使命飛向火星?

2020年7月27日,天問一號探測器在飛離地球約120萬公裡處,利用光學導航敏感器拍攝的黑白地月合影。左側為地球。(國家航天局供圖)

環繞器將經歷三次“變身”

此次火星探測任務,分為“繞、著、巡”三步走。記者從負責火星環繞器總裝、集成和試驗任務的中國航天科技集團所屬上海航天八院812所獲悉,在這三個過程中,環繞器將經歷三次“變身”。

約七個月的飛行過程中,環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,環繞器作為通信器,為著陸器建立與地球之間中繼通信鏈路﹔通信工作結束后,環繞器作為科學探測器對火星進行遙感探測。

飛行時間長,面臨環境差,控制要求高,空間動作繁,這是屬於環繞器的四大“特點”,不僅任務繁重,其難度也是空前。

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“天問一號”火星探測器模擬圖,由環繞器和著陸巡視器組成(探測器抓總研制單位航天科技集團五院提供)

光學導航:它有一雙明亮眼睛

剛剛“出爐”的地月成像,由環繞器上的光學導航敏感器自主曝光拍攝完成。

據了解,光學導航敏感器可以在飛近火星的過程中通過對火星成像,利用火星圖像計算火星的形心位置和視半徑大小,結合估計算法獲取探測器相對於火星的實時位置和速度信息。

“光學導航敏感器就好比探測器的‘眼睛’。”八院控制所光學導航專家打了個比方,“有了這雙明亮的‘眼睛’,探測器也就有了自主能力,可以自己看著飛向目的地了。”

據介紹,這是支撐我國未來進一步走向宇宙更遠空間的重要技術之一。與傳統的無線電導航不同,光學自主導航可以通過圖像目標識別和特征提取,完成位置、速度等導航信息的獲取。

也就是說,這一“千裡眼”,最遠可以在1000萬公裡的距離識別火星,還能自主適應火星從點目標到面目標、從弱目標到強目標的火星圖像提取,從而實現即使沒有外部導航信息,也能夠在深空飛行中自主找到前進的道路。

“天問一號”火星探測器天線展開,建立對地姿態模擬圖(探測器抓總研制單位航天科技集團五院提供)

天線展開:精雕細刻的“敏感神經”

發射當日,“長征五號”火箭升空后的第37分鐘,便迎來了星箭分離的重要時刻。此時,火星環繞器的太陽翼和各類天線便逐步啟動展開模式。

“火星環繞器共有7個種類12個活動部件。”火星環繞器主任工藝師張則梅介紹,這12套機構的各式花樣展開,完全由八院812所首次獨立承擔。

火星環繞器活動機構和天線展開不僅多,而且都很長。最長的高增益定向天線長達2.5米,安裝時需要折疊六次,這也成為環繞器總裝過程中最難啃的一塊骨頭。

火星環繞器總裝主崗王利民告訴記者,在初樣階段,試驗過程中發現了天線展開后無法正常合攏的問題,主要原因是精度不夠。總裝團隊立即行動,再次復核數據、優化軟件算法,量身定制工裝,從早到晚忙碌不停,終於解決了這個難題,大家緊鎖的眉頭再次展開。經過初正樣多次裝配驗証,平衡精度達到了萬分之五。

型號調度王克寒說,環繞器的天線長,為保護其在展開后不受損壞,在天線安裝過程中,操作人員從不停歇,一站就是一整天,甚至通宵達旦。在他們的細心呵護下,火星環繞器也從一個個零部件逐步成長為“國之重器”。

“天問一號”火星探測器研制現場(探測器抓總研制單位航天科技集團五院提供)

層層“外衣”:冰火兩重天的考驗

記者了解到,“天問一號”從地球飛往火星需要7個月的時間,加上停泊火星軌道的3個月,在火星車開始工作之前,火星環繞器需要獨自工作10個月。

在如此長的時間裡,它將經歷一系列太空中極端環境的考驗。為了確保火星環繞器在低溫下正常工作,對它的“著裝”要求非常嚴格。

負責衛星熱控實施的工藝師蔣諶立告訴記者,低溫下穿的“衣服”被稱為熱控隔熱組件,業內稱低溫多層,均採用自動縫紉機床及裁割機完成。火星環繞器由於其艙體結構大,它的“衣服”面積達到了30平方米,是一般衛星的2倍。

“天問一號”不僅要面對低溫考驗,還要經得住高溫。火星環繞器使用的是目前國內最大的SAST9000平台,安裝了3000N的大推力發動機,發動機工作時溫度可達上千攝氏度。這對發動機附近的溫度防護提出了很高的要求。

“中高溫多層使用的是不鏽鋼箔及鋁箔,邊緣鋒利,加工及安裝難度非常大,極易割傷操作人員。”蔣諶立介紹說,為了保証操作安全,安裝前,操作人員需穿戴防護服、防割手套和護目鏡,先在多層標注安裝孔位置進行預裝,逐個打好孔后再用不鏽鋼絲穿套安裝。

在他看來,操作人員宛如工藝大師在精心雕琢著“藝術品”,每一個角度、每一個縫隙都分毫不差。

“天問一號”火星探測器研制現場(探測器抓總研制單位航天科技集團五院提供)

仿真模擬:千百次的錘煉

每一個航天器在誕生前,可以說都是經歷過“千錘百煉”的,也就是說,在正式“飛天”之前,必須要經過無數次地面仿真模擬試驗,提前反復驗証,盡力確保萬無一失。

據812所試驗中心副主任張利介紹,火星環繞器很重也很“胖”,測點、通道、工況多,試驗時間跨度長,與振動台連接狀態需按要求不斷調整,僅初樣期間的一次振動測試,其加速度和應變測量通道就高達372個。

尤其在試驗過程中工況切換時,產品外觀、緊固件、試驗設備、試驗數據、試驗結果都要進行檢查確認。“為了確保試驗成功,試驗人員在試驗前、試驗中、試驗后都嚴格檢查產品狀態,質量控制、安全控制一個環節也不能少。” 張利說。

在一代代中國航天人的努力下,5500萬公裡外的火星終於不再遙不可及。而“天問一號”所走的路,也將注定是一段不同尋常的旅程,見証著中國航天一步一個腳印,想著夢想邁進。

(責編:趙竹青、呂騫)

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