5月15日，“天問一號”火星探測器成功著陸在距離地球億萬公里外的火星烏托邦平原。此次火星探測是我國首次獨(dú)立開展的行星星際探測任務(wù)，旨在通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)對火星的環(huán)繞、著陸和巡視。

作為位置和速度測量的重要手段，中國航天科工二院25所獨(dú)立研發(fā)的具備高精度測量能力的相控陣敏感器，持續(xù)為航天器提供高精度的測量數(shù)據(jù)，成功助力著陸巡視器安全著陸火星表面。

新體制 太空“眼”

據(jù)介紹，相控陣敏感器安裝在火星著陸巡視器進(jìn)入艙著陸平臺的下方，作用范圍達(dá)十幾千米，可謂火星探測器的太空“千里眼”，和其他不同原理的測量敏感器一起，密切配合，“接力”引導(dǎo)航天器平安落地。相控陣敏感器在航天器進(jìn)入火星大氣后，距火星表面約 7km高度時開始工作，持續(xù)提供相對于火星表面多個方向的距離、速度數(shù)據(jù)，用于航天器的減速、懸停和軟著陸控制，直至著陸巡視器降落至火星表面約5米處。

航天器從約125公里處高空進(jìn)入火星大氣，時速高達(dá)每秒5.9公里，要在短短七分鐘的時間內(nèi)，讓航天器的速度降低到零，是火星探測任務(wù)中技術(shù)難度最大、失敗概率最高的關(guān)鍵時刻。

相控陣敏感器總工程師孫武介紹，這是國內(nèi)首次將相控陣體制雷達(dá)應(yīng)用于地外天體著陸測量。與此前的載人航天工程任務(wù)不同，火星和地球之間距離漫長，通信存在十幾分鐘的時延，在地球上無法控制著陸過程，必須讓著陸巡視器自主完成這‘黑色七分鐘’的旅程，對敏感器提出的要求極為苛刻。

“相比于國內(nèi)外已有的著陸測量雷達(dá)，相控陣體制的雷達(dá)天線由多個輻射單元組成，就像生物學(xué)中蜻蜓的復(fù)眼，具有波束掃描快、指向靈活、目標(biāo)容量大、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。”孫武詳細(xì)介紹了新體制敏感器的技術(shù)優(yōu)勢。

“25所研制的相控陣敏感器能在預(yù)設(shè)的9個方向上任意快速切換，通過軟件定義，在每個測量周期實(shí)時選取4個最優(yōu)方向，測量距離速度信息，從而快速修正航天器的姿態(tài)測量誤差，準(zhǔn)確地找到火星的水平面，確保著陸器的方向控制準(zhǔn)確無誤。”

抗干擾 高可靠

相控陣敏感器主任設(shè)計(jì)師劉佳透露，火星著陸巡視器在下降過程中，會經(jīng)歷多種工作環(huán)境。與之前落月任務(wù)相比，由于火星重力比月球大，著陸下降加速度會更快，需要利用火星大氣進(jìn)行降落傘減速。在高速下落過程中打開降落傘，航天器會因減速沖擊發(fā)生劇烈擺動，是影響著陸成敗的關(guān)鍵時刻。

“這一瞬間，在相控陣敏感器的測量方向上，距離會有很大的變化，同時部分測量信號會打到地平線以上，出現(xiàn)檢測不到目標(biāo)的情況。”劉佳說，“對相控陣敏感器來說，就像在快速蕩秋千，眼睛要看清地面一頁紙上寫的字。”

產(chǎn)品相控陣體制測量速度快、受干擾影響小的特點(diǎn)，能夠在擺動過程中快速準(zhǔn)確測量，同時，航天器可以通過軟件切換測量方向，選用可探測到地面的方向信號，為著陸成功提供了堅(jiān)強(qiáng)保障。

此外，火星上時常會發(fā)生劇烈的塵暴天氣，在巡視著陸器靠近火星表面時，航天器發(fā)動機(jī)噴射也會激起地面的粉塵和沙礫，對探測傳感器造成影響。

“微波信號體制應(yīng)對這種環(huán)境具有相對優(yōu)勢，”孫武說，“在這個前提下，產(chǎn)品在信號頻段選擇上做了充分的對比和論證，采用多種算法進(jìn)行了綜合優(yōu)化，并在沙漠戈壁通過直升機(jī)氣流模擬試驗(yàn)了在沙塵暴天氣中的工作狀態(tài)，確保測量的可靠性。”

同時，相控陣敏感器采用了瓦片式收發(fā)模塊高密度集成，大幅提高了小型化、輕量化水平，“相當(dāng)于用 1套設(shè)備完成9套傳統(tǒng)設(shè)備的功能。”設(shè)計(jì)師賈學(xué)振介紹，“這意味著航天器可以攜帶更多科學(xué)載荷和燃料，完成更多的探測任務(wù)。”

謀創(chuàng)新 造精品

相控陣敏感器是“90”后設(shè)計(jì)師陳梟煜工作以來參加的第一個項(xiàng)目，臨近執(zhí)行任務(wù)的那段日子，他忙碌又興奮。“產(chǎn)品采用了全新的相控陣體制，每項(xiàng)試驗(yàn)它都表現(xiàn)得非常出色，我們相信它已經(jīng)做好了充分準(zhǔn)備迎接這次火星任務(wù)。”

體制越新，帶來的難度也就越大。“科技創(chuàng)新這條路，一定會有坎坷，但必須要堅(jiān)持走。”孫武說。

在研制初期，相控陣敏感器團(tuán)隊(duì)就瞄準(zhǔn)國際領(lǐng)先的目標(biāo)，制定距離和速度的測量精度要求。這是一次新體制在新環(huán)境下的新應(yīng)用，孫武帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)“從零”開始技術(shù)攻堅(jiān)。

2016年項(xiàng)目成立，相控陣敏感器團(tuán)隊(duì)當(dāng)即組建了總體、調(diào)度、組合、工藝、結(jié)構(gòu)、可靠性、物資、質(zhì)量等突擊分隊(duì)，聚焦關(guān)鍵技術(shù)突破，協(xié)同集智攻關(guān)，從縱向和橫向覆蓋產(chǎn)品的各個研制環(huán)節(jié)，按時、保質(zhì)、保量的高效完成了多輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制，通過了直升機(jī)掛飛試驗(yàn)、外場揚(yáng)塵試驗(yàn)、懸停點(diǎn)火試驗(yàn)等十余項(xiàng)試驗(yàn)的驗(yàn)證，并圓滿完成任務(wù)。

“立項(xiàng)時間晚，產(chǎn)品技術(shù)新。”這是火星探測工程總師對25所產(chǎn)品的評價。這支平均年齡僅為35歲的年輕團(tuán)隊(duì)，在短短幾年的時間內(nèi)打造出了高科技、硬質(zhì)量的“航天精品”，技術(shù)水平達(dá)到世界一流水平，相比于國外同類產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了體積更小、重量更輕、功能更全、精度更高的既定目標(biāo)，被稱為“著陸末段黑色七分鐘的保命手段”。

“自主創(chuàng)新是我們攀登世界科技高峰的必由之路。”在探索宇宙未知的征途上，創(chuàng)新已經(jīng)成為中國航天人代代相傳的基因，也是我們不斷取得成功的法寶。

依托我國首次火星探測任務(wù)，25所相控陣敏感器首次成功實(shí)現(xiàn)了地外天體著陸測量，性能穩(wěn)定、表現(xiàn)完美，標(biāo)志著25所向深空探測又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，為25所在空間載荷領(lǐng)域提供了更廣闊的發(fā)展空間。(記者 宋雅娟)

關(guān)鍵詞： 千里眼 相控陣敏感器 天問一號 火星探測器