|“天问”成功着陆的“幕后英雄”_

5月15日，经历了近10个月的漫长旅行，天问一号火星探测器终于成功着陆火星。在这次安全翻越“万水千山”的旅途中，有不少“幕后英雄”一直在为它保驾护航。
文/广州日报全媒体采访人员肖欢欢  通讯员蔡金曼、杨璐
UHF频段双向通信链路：
让“天问”有了“眼睛和耳朵”
航天科技集团五院西安分院（以下简称西安分院）为火星探测器研制的测控数传分系统搭建了地球与着陆巡视器、环绕器及“祝融号”火星车之间的信息传输链路，成为天问一号的“眼睛”和“耳朵” 。
据介绍， “祝融号”火星车置于着陆巡视器的进入舱上。当火星探测器进入“落火”阶段后，环绕器会和着陆巡视器分离，由着陆巡视器单独下落。此时地面要想了解着陆巡视器在下落过程中的遥测数据，就需要依靠进入舱与环绕器间的UHF频段双向通信链路。西安分院进入舱UHF频段收发信机负责人田嘉介绍：“这个阶段的数据是‘落火’过程中的关键遥测数据，便于地面判断‘落火’过程中各分系统的工作状态。由于‘落火’比‘落月’难度更大，因此火星探测器在进入、下降、着陆过程中的遥测十分关键。 ”
西安分院研制的测控数传分系统包括了UHF频段收发信机和X频段深空应答机等关键设备，是天问一号的关键分系统之一。安装在环绕器上的X频段深空应答机建立了环绕器与地面的通信链路，安装在着陆巡视器中进入舱上的UHF频段收发信机是建立与环绕器之间通信的关键，而安装在“祝融号”上的UHF频段收发信机和X频段深空应答机等产品建立了与环绕器的中继通信及对地通信。这些通信链路共同在地球与火星之间构成了一个立体通信网络，让环绕器在环绕过程始终与地面保持测控通信，并在着陆巡视器下降着陆过程以及抵达火星表面后与环绕器开展中继通信、与地面开展测控通信。
当进入舱将着陆过程中的遥测数据发送给环绕器后，此时便需要通过环绕器与地面测控站之间建立的X频段双向通信链路进行数据的回传。与此同时，地面也通过环绕器将遥控数据发送至进入舱。
火星探测器测控数传分系统从开机到任务完成一直保持工作，还需根据飞行距离切换不同模式、实现不同功能。同时加上太空恶劣的环境及航天各系统互相配合的考虑，使得测控数传产品的指标极其苛刻，需要克服空间损耗大等困难。按照总体要求，测控数传分系统需要大幅减重，这就需要尽量将火星探测器上的产品小型化、集成化。以往的一个分系统由数台单机组成，体积庞大，这对于深空探测任务而言难以实现。为了解决这一难题，西安分院研制团队将一个功能类似于分系统的UHF频段收发信机，压缩至一台重量为2公斤左右、体积仅为1个单机大小的产品。这台单机融合了数字处理、电源、通道、固放、双工器和开关等分机，具有高度集成化和小型化。在分系统的研制过程中，研制团队经过不断的沟通讨论、仿真论证，单机从无到有，从有到优。最终，以相较于典型产品综合减重60%的成果完成了分系统功能的单机化集成。
特制“冲锋衣”：
确保不出现“冻伤”或“烫伤”
天问一号外表面穿着一件银色的“冲锋衣” 。这件“冲锋衣”的应用轨道主要在地火转移轨道、火星捕获轨道以及火星停泊轨道三段，这件银色外衣光滑而闪耀，看着很有时尚感。其实，这件外衣正是由航天科技集团五院529厂历时两年精心研制的，蕴含了多项自主关键技术，只为天问一号在这件“冲锋衣”的保护下，能在乘风破浪的旅程里更加安全、舒适。
据介绍，天问一号在向火星靠近的飞行轨道里需经历多次的温度循环变化，最高温可达100℃、最低温可达-120℃ ，这样一个大温差环境对天问一号内部设备正常工作的影响是极大的：真空环境使得天问一号在面对太阳的持续辐照下，无法像飞机那样通过热对流或热传导传递热量，其向阳面表面温度会持续升高，造成与背阳面的温差巨大。这种工况下，将导致着陆巡视器内部温度严重不平衡， “五脏六腑”有的处在寒冷环境中，有的却处在高温环境里，更不要说宇宙空间里持续不断的高能紫外与电离辐射对其外表的损伤了。
因此，给天问一号穿一件特制的“冲锋衣”尤为必要。这件“冲锋衣”学名为低吸收-低发射热控涂层，它是一种涂饰在航天器外表面的热控制材料，通过其自身对太阳光谱辐照的反射能力，以及其自身的红外辐射特性，从而有效地减少空间环境对航天器内部造成的温度影响。同时，这款“冲锋衣”还得抵抗宇宙空间中时时刻刻的高能紫外辐照、原子氧轰击以及多种高能粒子与电离辐射的攻击，全方位提供外部保护屏障，可谓“天问”奔火旅途中的全效防护服。
据悉，这件“冲锋衣”采用了我国以往热控涂层领域中从没有过的技术。这种同时具备低吸收和低发射功能的热控涂层，之前还从没使用过。为了研发出这件“冲锋衣” ，研发团队首先确定了热控涂层低吸收与低发射两项关键技术指标，再以这两项技术指标为出发点，开展涂层的设计、仿真、制备、检测及工程实施等一系列研发工作，在反复的试验过程中，研发团队不畏攻坚过程的艰辛，最终成功突破了多项低吸收低发射涂层研制的关键技术，成功为天问一号量身打造出了这身银光闪闪的“冲锋衣” 。
这件“冲锋衣”通过极低的太阳吸收比，可以长期有效地反射太阳辐照而来的绝大部分能量，这样一来，天问一号内部“冰火两重天”的问题就可以得到有效解决。此外，新“冲锋衣”不仅低吸收而且低发射，与其他通过高发射率对外散热的热控涂层不一样，如此设计的原因是因为天问一号总体的旅途是处在空间深冷环境下，自身内部发动机产生的热量始终会向外界消耗，而10个月的飞行时间里，外界冷环境对燃料的消耗极高，过多地贮备燃料，会给“克克计较”的航天器带来重量上的负担。因此，研发人员通过降低热控涂层的红外发射率，减少真空环境下舱内向外界的辐射漏热，成功实现了对着陆巡视器内部设备正常运转的温度保障，确保了天问一号着陆火星后不会被“冻伤”或“烫伤” 。
火星降落伞：
上万次试验确保平稳着陆
【|“天问”成功着陆的“幕后英雄”】天问一号着陆时使用的降落伞长度可以达到34米，整体面积200平方米，它也是着陆过程中最重要的减速装置之一。
航天科技集团五院508所总工程师、回收着陆领域专家黄伟介绍，开降落伞减速以后就可以为后面的减速发动机的减速创造条件。只有降落伞正常工作了，后面的动力减速段才能够正常。它的指标从两马赫一直降到95米/秒。通过这样的减速，天问一号才不至于“粉身碎骨” 。
除了降落伞本身，和它配套的弹伞筒是决定降落伞能否顺利打开的关键，火星弹伞筒是我国研制的最大尺寸的弹伞筒，它要将体积为60升、重达40公斤的降落伞装进去，比一般的弹伞筒要大很多。 “因为降落伞面积达到200平方米，要装在弹伞筒里面，开伞的时候就靠弹伞筒把整个伞包给一次性推出去，而且要保证足够的分离速度。弹伞筒装有火药，工作过程中，通过火药燃烧产生的高温气体，将降落伞以35米/秒的速度弹射出来，帮助降落伞成功打开，帮助着陆巡视器减速。 ”黄伟说，相比于我国之前的航天器，天问一号面临着更复杂恶劣的环境，这就对降落伞提出了更高的要求。
黄伟介绍，火星降落伞材料也有所不同。在神舟飞船、嫦娥五号、返回式卫星等航天器上使用的降落伞选材一般为锦丝绸，这种材料的优点是重量轻、强度大；但面对更加恶劣的火星环境，降落伞在选材上进行了升级，在一些局部的加强环节用到了新的芳纶材料，相比以前它的强度会有所提高。为了提高火星降落伞的强度可靠性，科研人员进行了上万次试验，除了材料升级，在加工环节也进行了改进。 “像伞绳和伞衣连接的环节，以前都是采用缝纫的，后来改进了，采用这种穿过来以后再插接的方式，减少缝纫环节，提高连接的强度；此外， 508所研制的4台小相机在天问一号着陆火星的过程中也发挥了重要的记录功能。其中2台开伞监视相机在降落伞开伞前已开始工作，记录并见证降落伞完美绽放的时刻。 ”
黄伟表示，这次天问一号成功降落，充分验证了火星降落伞的可行性，火星降落伞将来也会应用到其他深空探测器当中。