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《中国经济周刊》采访人员 贾璇 | 北京报道
5月15日7时18分 ， 在距离地球3.2亿千米之外 ， 我国首次火星探测任务天问一号探测器成功实现火星表面软着陆 ， 降落在预选着陆区——乌托邦平原南部 。 19日 ， 以中国火神“祝融”命名的火星车传回了第一批火星照片 ， 图像中火星表面纹理清晰 ， 地貌信息丰富 。
5月22日10时40分 ， 祝融号火星车安全驶离着陆平台 。 为了纪念这一天 ， 火星车代表中国在火星行驶了0.522米 。 中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥表示：“尽管只移动了0.522米 ， 但标志着我们绕、着、巡工程的目标圆满达成 。 ”
接下来 ， 火星车将开始巡视探测 。 按计划 ， 火星车将开展巡视区环境感知、火面移动和科学探测 ， 通过配置的地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达等6台载荷 ， 对巡视区开展详细探测 。
据介绍 ， 此次火星探测的科学目标是研究火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等 。
我国第一次火星探测就要完成“绕”“落”“巡”三大任务 ， 中国航天科技集团五院、天问一号探测器总指挥总设计师顾问叶培建对此表示：“我们第一次任务就要去探火星、绕火星探测、又要着陆 ， 这是个创新 。 全世界还没有一个国家一次任务完成这两步的 ， 我们一次就完成了 。 ”
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中国航天科工三院33所技术人员在洁净间装配加速度计 。 供图 | 中国航天科工三院33所
精密元器件摆动范围 仅为发丝粗细的三分之一
相对于月球 ， 火星和地球之间的距离更远 ， 最远时可达约4亿公里 ， 这对发射、轨道、控制、通信和电源等技术都提出了更高的要求 。 目前 ， 在人类对火星实施的44次探测任务中 ， 仅有24次成功 。
【凝胶|揭秘天问一号的“保温服”：零下130℃～1000℃都能用】曾有人比喻称 ， 要让探测器在火星精准着陆 ， 相当于从法国巴黎击出高尔夫球 ， 落在日本东京的一个洞里 。 要执行难度如此高的任务 ， 地面能够随时了解飞行器的状态 ， 至关重要 。
“石英挠性加速度计可以为飞行器的制导导航与控制分系统（GNC） ， 随时随地提供加速度数据 ， 实时感知飞行器在运动过程中的姿态信息 。 ”中国航天科工三院33所、石英挠性加速度计研制工作负责人姜福灏对《中国经济周刊》介绍 。
据悉 ， 此次在火星着陆巡视器和祝融火星车上 ， 均搭载了石英挠性加速度计 ， 测量精度可达20微克 ， 与此前在神舟系列飞船、探月工程等任务中的产品属于同一系列 。
“石英这种材质很常见 ， 很多手表里都有 ， 关键在于加工工艺 。 ” 据姜福灏介绍 ， 加速计里有一块石英圆片 ， 经过特殊的“雕刻”方式 ， 把圆片中心和四周剥离开 ， 只留下极少连接 ， 相关联的部分被称为“梁” ， 最薄的“梁”仅有头发丝粗细的三分之一 。 这样加工后的石英圆片可以在特定轴向任意摆动 。 当飞行器发生速度变化时 ， 可以通过摆片的摆动程度测量其加速度 。
在模拟火星环境的测试中 ， 当温度降到零下100摄氏度时 ， 加速度计依旧可以提供测量数据 ， 这一标准远超其正常的工作温度 。
制作好的摆片 ， 要在其上下两面安装经过精密绕制的线圈 ， 共有6层200多圈的铜线环绕在金属环上 。 “加速度计是高度对称的结构 ， 这也就意味着线圈的绕制必须近乎完美 ， 不能乱 ， 不能斜 。 上下两个线圈重量之差不能超过0.3毫克 ， 相当于一根3厘米长的头发丝的重量 。 ”姜福灏说 。
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中国航天科工三院33所技术人员检查加速度计组件的加工质量 。供图 | 中国航天科工三院33所
零下130℃～1000℃ ， 自主研发材料经历“冰火两重天”考验
因探测环境差异巨大 ， 天问一号需要接受“冰火两重天”的温度考验 。 据介绍 ， 在火星着陆阶段 ， 发动机产生的热量可致周围温度超过1000摄氏度；在火星巡视阶段 ， 火星车的工作环境温度仅仅只有零下130摄氏度 。
据《中国经济周刊》采访人员了解 ， 祝融火星车上采用了新型隔热保温材料——纳米气凝胶 。 除了应对极热极寒的考验 ， 纳米气凝胶的超轻特性还极大程度减轻了火星车的重量负担 。
据中国航天科工三院306所副所长张昊对《中国经济周刊》介绍 ， 纳米气凝胶是由纳米尺度固体骨架构成的三维立体网络 ， 比空气还轻 ， 是目前世界上最轻的固体 。 此外 ， 其导热系数仅为静止空气的一半 ， 也是导热系数最低的固体 。
事实上 ， 探火任务并不是纳米气凝胶的“首战” 。 2005年 ， 306所自主投入该项技术研发 ， 成为国内最早开展气凝胶材料研究的单位之一 。
虽然有足够的经验积累 ， 但天问一号执行任务时所面对的太空环境 ， 还是给306所气凝胶团队出了难题 。
“火星着陆时发动机产生的热量使周围的温度超过1000℃ ， 这超出了当时世界上气凝胶材料的耐温极限 。 ”张昊说 。 为突破技术难关 ， 团队对天问一号开发出了两种气凝胶材料 ， 先后进行了物理特性、力学性能、隔热性能和空间环境耐候性能等四大类总共98项的试验测试 。
据张昊介绍 ， 此次采用的气凝胶材料经过技术升级 ， 具有超强的隔热性能 。 厚度约10毫米的隔热组件可在整个着陆过程中 ， 将发动机周边上千度的高温阻隔到可接受的范围 ， 就像消防员身上穿的防火服一样 。 现场演示中 ， 工作人员将一朵鲜花放在薄薄的气凝胶板上 ， 用1200摄氏度的火焰灼烧气凝胶板底部 ， 鲜花完好无缺 。
通过在火星车表面铺设大面积的气凝胶板 ， 则像给登山运动员穿上防寒服 ， 阻隔了环境的超低温 。 “这种气凝胶的密度极低 ， 达到15毫克每立方厘米 ， 即在同等体积下 ， 重量只有钢的1/500 ， 铝的1/180 ， 水的1/60 。 ”张昊如是告诉《中国经济周刊》采访人员 。
据了解 ， 306所研制的气凝胶产品已经在二十几型航天装备上获得了应用 ， 研究成果先后获得国家科技进步奖、国防技术发明奖和中国专利金奖等 。 气凝胶材料的应用领域也逐渐拓展开来 。 例如作为长征五号系列火箭的发动机燃气系统的隔热材料；被制成真空隔热板用在“天舟一号”“天舟二号”货运飞船的低温锁柜中 。
责编 | 张燕
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