揭开田文1号火星探测器的神秘面纱
田文1号刹车抓拍效果图。照片由中国航天科技集团第八医院提供
随着田文一号被火星引力成功捕获，它的包装结构被揭开了。田文1号探测器由一个环绕巡逻队和一个着陆巡逻队组成。其中，“空间通才”包装器有三个功能：飞行器、通信器和探测器。
探测器系统副指挥官、中国首次火星探测任务轨道飞行器指挥官张玉华表示，在近7个月的飞行中，田文一号轨道飞行器首次被用作向火星着陆轨道派遣着陆巡逻队的飞机。登陆巡逻成功释放后，环绕声作为通信器，在登陆巡逻和地面之间建立中继通信链路。通信工作完成后，环绕装置被用作火星科学探索的探测器。
“减肥瘦身”
据中国航天科工集团第八研究院田文-1恩西克勒的结构团队杜东博士介绍，为了克服地球的强大引力，冲向火星，田文-1探测器的总重量不能超过5000公斤，但为了到达遥远的火星，它需要携带至少2500公斤的推进剂，除了着陆巡逻队占用的1300公斤以外，恩西克勒本身的干重严格限制在1200公斤以内。
“1200公斤的环绕包括结构和其他各种设备的重量，还考虑了各种大容量设备的安装要求，如2.5米可展开的驱动天线、太阳能阵列和高分辨率摄像机。”杜东表示，如何在重量有限的情况下实现高效的轴承和设备安装，已经成为环绕结构团队面前的“路障”。
环绕结构总设计师王建伟表示，对于航天器来说，质心越低，重量越轻，发射成本越低，所以结构配置设计的目标是尽可能减小质心，优化重量，兼顾设备安装要求。围绕这一核心原则，结构团队进行了几轮结构配置论证。
“探测器的重量是一克，发射成本会远远超过一克黄金。”杜东表示，为了继续“减重”，饺子皮的结构团队也将注意力转向了重量最大的结构核心部件——的中心承重筒，创新性地采用了“全复合主承重结构”，在材料上下了很大功夫，使饺子皮在苛刻的重量极限条件下也能实现高效承重。
“火眼金睛”
当田文一号探测器靠近火星时，它是如何独自发现火星的？
中国航天科工集团第八研究院光学导航专家郑告诉记者，-1号探测器上的光学导航传感器可以利用拍摄到的恒星和火星图像精确计算自身的飞行姿态、位置和速度，实现相对于火星的自主导航。
“光学导航传感器就像田文一号火星探测器自动驾驶过程中的‘眼睛’。”郑对说道。据他说，在接近火星的过程中，探测器用这些“眼睛”实时观察火星的距离和方向，使飞行控制小组能够更直观地确定飞行轨道和姿态，计算图像中火星的几何中心和视半径，田文-1号可以通过最优估计算法独立获得实时位置和速度信息。
郑说，在过去的7年里，在2500多个日日夜夜的攻关中，研究小组不是在做实验，就是在做实验的路上。得益于广泛的测试数据，团队完成了几轮设计方案的优化，最终完成了最坏情况下所有功能和性能的验证。
"这是中国首次在星际转移飞行中应用光学自主导航技术."郑表示，国内没有以前的工程经验可以参考，研究团队稍微探索了一下，设计了100多个大大小小的实验项目，最终使我国成为世界上第二个在轨掌握和验证火星光学自主导航技术的国家。
“最强大脑”
集成电子子系统被称为田文-1 surroupper的“超级大脑”，负责控制surroupper的所有信息。
张玉华说，在田文一号轨道飞行器探索火星的过程中，轨道飞行器上的各种科学仪器将产生大量的科学数据，这些数据必须送回地面供科学家研究。此外，轨道飞行器上的光学导航传感器和红外导航传感器的数据也需要送回地面进行进一步分析。集成电子子系统负责处理和存储这些原始数据，并在正确的时间将其传输回地球。
据她介绍，通常绕地球运行的卫星由地面控制中心根据卫星的实时状态和任务要求进行控制。
但与地球卫星不同，火星环绕器由于器地距离远，通信时间延迟长，往往来不及依靠地面指令对探测器进行实时处理。此外，深空探测器与地面站通信存在独特的“日凌”现象，即当探测器、地球和太阳位置处于同一直线时，太阳辐射会干扰地火之间的射频信号传输，导致通信中断。因此，“日凌”期间，环绕器必须“自己照顾好自己”。
张玉花说，针对这些情况，环绕器综合电子分系统的研制团队进行了一系列技术攻关，设计了深空探测长时间无上行指令自主管理机制、整器断电再恢复功能等，让环绕器在必要时能“自己照顾好自己”，实现了环绕器在轨自主运行大于60天的能力。
她告诉记者，从环火开始，天问一号就正式成为火星的卫星。后续，天问一号还要进行一次轨道调整和两次近火制动，届时天问一号离火星最近距离只有265公里。之后，天问一号探测器会边环绕边完成拍照任务，开展预选着陆区探测，计划于2021年5月至6月择机实施火星着陆。
“高清摄影师”
2月12日，国家航天局对外发布天问一号抵达火星轨道过程中的影像。实施此次拍摄任务的工程测量分系统，就是火星捕获大片背后的“摄影师”，由中国航天科技集团八院509所设计研制。
张玉花表示，为做好天问一号在轨工作状态的可视化监视，火星环绕器工程测量团队专门设计了一套由多个“质量小、个头小、能耗小”的“小块头”组成的工程测量分系统，包括固连遥测探头、近距离遥测探头和国旗，而实施此次捕获过程拍照的，便是其中的固连遥测探头的两个固连测量传感器。
在飞向火星的旅程中，固连遥测探头一路监测天问一号的状态，完成了太阳翼展开过程、定向天线展开监测，在定向天线展开到位的同时拍摄到了地球。
张玉花说，自我国首次自主火星探测工程立项以来，如何做好天问一号在轨飞行可视化监测就成为了研制团队面对的重要任务之一。火星环绕器工程测量团队结合全飞行过程，设计了太阳翼展开、定向天线展开、地月拍照、太空自拍、火星拍照、器器分离过程等监测任务。
她告诉记者，在接下来的飞行中，火星环绕器工程测量分系统将继续开展任务，持续监测太阳翼、定向天线的运行情况监测，实施器器分离过程可视化监测，继续为天问一号的探测之旅保驾护航。
中青报·中青网记者 邱晨辉 来源：中国青年报
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